【科研】光诱导界面电偶极巧妙构筑“人造FLP”，CO₂制乙烯性能登顶

张明 2025-09-09

通过二氧化碳（CO2）加氢生产烯烃是长期以来的研究目标。由于高温下异裂氢（H2）解离这一关键步骤的存在，通常产物为多碳混合物，导致选择性控制异常复杂。

2025年9月4日，中国科学院大连化学物理研究所王峰、罗能超、意大利里雅斯特大学Paolo Fornasiero在国际知名期刊Science发表题为《Photochemical H₂dissociation for nearly quantitative CO₂reduction to ethylene》的研究论文，Ping Jin为论文第一作者，王峰、罗能超、Paolo Fornasiero为论文共同通讯作者。

在本文中，作者发现在365 nm波长光照下，金-二氧化钛界面可在常温条件下诱导H₂发生异裂解离。

该过程很可能依赖于光生电子与空穴在金属金纳米颗粒及金-氧-钛界面结构上形成的界面电偶极矩。

光诱导形成的二氧化钛层包裹金纳米颗粒进一步促进了H₂的异裂解离。在流动装置的光照条件下，由此产生的亲核氢物种可将CO₂以>99%的选择性还原为乙烷。

更重要的是，通过耦合后续的光催化乙烷脱氢反应，在超过1500 h的连续光照中实现了>99%选择性的乙烯制备。

图1. 光照射下Au/TiO₂催化剂上异裂H₂解离的研究。（A）光照下H/D交换活性的波长依赖性。（B）光强度对H/D交换反应的影响。插图为光强度<6 mW cm^-2时的HD生成速率。（C）大气H₂氛围和（D）D₂氛围中照射下采集的Au/TiO₂傅里叶变换红外光谱（FTIR）。（E）黑暗中和（F）照射下（X射线束能量700 eV）在Au 4f边缘采集的同步辐射常压X射线光电子能谱（AP-XPS）。

图2. H₂解离位点研究。（A）Au/TiO₂及经SiO₂层包覆的金纳米颗粒（Au NPs）或TiO₂载体上的H/D交换反应结果。右图为催化剂的结构示意图。（B）SiO₂层厚度对Au@SiO₂/TiO₂催化剂上H/D交换反应和甲醇脱氢反应的影响。

图3. H₂解离机理研究。（A）光照射下金纳米颗粒-二氧化钛（Au NP-TiO₂）界面H₂解离的假设机理。（B）经绿色LED在H₂气氛中预处理后Au/TiO₂的代表性TEM图像和（C）HAADF-STEM图像。（D）Au和（E）Pb的空间分布能谱映射图。（F）HD生成速率（r_HD）与Au NP-TiO₂界面Au^δ⁺比例的关系。（G）不同光强度下r_HD与金纳米颗粒平均直径倒数（1/d_p）的关联关系。

图4. 光诱导H₂解离促发的CO₂加氢反应。（A）入射光功率和（B）波长对Au/TiO₂光诱导CO₂加氢反应的影响。（C）Au/TiO₂上连续光诱导CO₂加氢反应。（D）通过光诱导CO₂加氢生成C₂H₆、继而进行第二步C₂H₆脱氢的光化学CO₂还原制乙烯路线。（E）将研究拓展至可见光响应载体负载的金催化剂：在蓝色LED照射下进行CO₂加氢。（F）Au/N-TiO₂催化剂平均金纳米颗粒尺寸的优化。