研究示意图。大连化物所供图

中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）研究员王峰团队与意大利里雅斯特大学教授Paolo Fornasiero等人合作，提出一种新型光催化策略，实现了常温条件下氢气异裂。9月5日，相关研究成果发表于《科学》。

该研究将光催化氢气异裂方式用于二氧化碳还原，直接制备乙烷、乙烯等高附加值化学品。相较于传统高温高压加氢工艺，这一方法有望大幅降低能耗、有效减少二氧化碳排放，并为碳资源高效优化利用提供了新路径。

意外的发现

论文发表对第一作者金平来说，意味着一场长达6年的科研“马拉松”终于撞线，这也是他在大连化物所读博期间完成的第一篇论文。

2017年，在南昌大学攻读化工本科专业的金平，第一次见到来校作报告的王峰。王峰在报告中介绍了一项正在进行的木质素转化研究，这引起了金平的兴趣。

“通过选择性活化非目标碳氧键，诱导分子内电子效应或空间构象变化，最终实现目标碳氧键的高效断裂。”金平说，王峰形象地将此策略比喻为“声东击西”。

讲座结束后，意犹未尽的金平找到王峰，探讨分子转化相关问题。一年后，金平加入王峰团队，在大连化物所硕博连读。

王峰让刚留组工作的“新人老师”罗能超指导金平开展研究。结合罗能超光催化生物质转化的研究方向，以及王峰给定的流动化学研究任务，团队确定开展生物质光催化转化和流动化学“二合一”研究，专注于通过光调控生物质平台分子在流动反应体系中实现加氢。“我们的目标是提高光催化平台分子加氢反应的活性，实现增值转化，为碳资源优化利用提供新路径。”金平说。

然而，在一次实验中，他们却发现了一个“不一样的东西”。

“我们开始尝试的是其他含氧分子的加氢，却发现光照下的加氢产物有些异常，出现了独特的‘翻转效应’。我当时建议金平尝试惰性更强的二氧化碳分子。”论文共同通讯作者、大连化物所副研究员罗能超说，“令人意外的是，这套光照下的加氢反应将二氧化碳转化为碳二产物，验证了光催化体系存在一种独特且高效的氢气活化方式。”

这一发现立刻引起研究团队的关注。加氢反应是化学工业的核心反应之一，约1/4的化工过程都涉及至少一步加氢。

氢气分子就像一对紧密结合的伙伴，共享电子形成牢固的化学键。在微观层面，它们分离的方式主要有两种，一种是均裂，即双方各带走相当数量的电子；另一种是异裂，即一方得到电子，另一方失去电子。但要实现这种异裂，需要较高温度和压力条件，并消耗大量能源。

因此，如何在温和条件下实现氢气高效异裂，成为科学家追求的目标。而实验中的新发现为他们提供了新思路。

面对这个“偏离原定方向”的发现，研究团队进一步转向探索氢气异相活化的新体系。从最初的平台分子加氢转化到意外的二氧化碳加氢，再到氢气活化新路径，使得一次偶然的“实验偏差”转化为新的突破。

“答案”在身边

确定方向后，研究团队清晰地认识到，实现氢气异裂的关键突破口在于设计能同时提供正、负电荷中心的催化体系。那么，如何才能构建出这两个至关重要的电荷中心？

“我们此前一直在研究光催化生物质转化，就想从光催化的原理中找答案。”罗能超说。在光激发半导体时，电子吸收光子能量会脱离原位，留下带正电的“空穴”，同时产生带负电的电子和带正电的空穴。

挑战随之而来。光生电子和空穴需要被控制在极为接近的空间内，才能产生足以构成氢氢键异裂的不均匀电荷环境。但过于紧密的距离，又容易导致电子与空穴因正负电荷相吸而复合湮灭。

此时，大连化物所光催化领域的两位研究员章福祥和李仁贵带来了新思路。在通力合作下，团队提出新模型：将电子和空穴分别“束缚”在空间邻近的不同位点上，将它们各自“禁锢”在独立的“陷阱”中。这样，即使彼此靠近，电子和空穴若要复合，也必须先获得额外能量“跃出”各自的“陷阱”，这就有效延长了其寿命，为驱动氢氢键异裂创造条件。

“但在研究中，我们只成功定位了电子的‘陷阱’，一直未能找到空穴的‘陷阱’。”金平回忆道。

正当团队一筹莫展时，罗能超从中国科学院院士、大连化物所研究员李灿于2017年发表的一篇论文中获得启发。“论文阐述了利用光激发金的局部等离子激元共振效应，而我们的体系是用光激发二氧化钛。机制看似相反，但提供了一个关键思路：光照条件下，空穴的‘陷阱’是否也可能存在于界面处？”罗能超说。

最终，团队在二氧化钛与金纳米颗粒的交界面找到了捕获空穴的“陷阱”，有效阻止了正负电荷的“复合”，确保正负电荷中心的稳定存在。

不能简单修补，要全面升级

2024年5月，团队信心满满地投稿给《科学》。一个月后，他们收到编辑的回复。“编辑肯定了研究方向的新颖性，但认为新策略缺乏足够的理论支撑，部分数据也不够完善。”金平说。

王峰建议，不能简单地修修补补，要全面升级研究工作，对涉及的所有数据重新验证。

收到建议后，罗能超与金平立即投入实验，从头开始。“比如动力学实验，最初可能比较粗糙，只有单一光强下的数据。后来我们做得极其细致。在5个不同光强梯度下重复实验，每个数据点都进行了三四次重复测定。”

团队用惰性的二氧化碳还原反应，验证了这种光诱导氢气异裂的优势。他们发现，产生的氢物种可以在常温下把惰性二氧化碳全部转化，产物只有乙烷，再通过串联乙烷转化为乙烯的装置，最终把二氧化碳还原为乙烯，乙烯收率接近99%，催化剂可以稳定运行超过1500小时不失活。

同时，他们采纳了编辑的建议，以自然的太阳光为光源，进一步实现了将二氧化碳还原为乙烷。最终，这项历经锤炼的研究成果在《科学》发表。

“以氢气和二氧化碳为原料，制备乙烷、乙烯等高附加值产品，能够大幅降低传统加氢过程的能耗，减少二氧化碳排放，助力碳资源优化利用。”王峰说，“未来，我们将深入研究反应工艺，开辟光与光热耦合的工业化技术路径，为现代煤化工的升级转型提供新模式。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adq3445

（原载于《中国科学报》 2025-09-08 第1版 要闻）