在化學世界里，氫氣是改變很多“頑固分子”的關鍵角色之一：它可以把空氣中的主要成分氮氣轉化為化肥，解決農作物生長的營養供給問題；可以把溫室氣體二氧化碳轉化成汽油，讓溫室氣體“變廢為寶”……

但想讓氫氣與其他分子反應，首先要讓氫氣的兩個氫原子“分道揚鑣”。不過難題在于：氫氣分子就像一對緊緊相擁的戀人，它們共享電子形成化學鍵，因此異常牢固。

“緊緊相擁”的氫分子“戀人”

（自制）

氫氣的“不公平分手”

從微觀粒子的角度看，氫氣“分手”的形式有兩種，一種是“和平分手”——兩個氫原子各帶走一個電子，公平且友好，叫做均裂；另一種則是“不公平分手”——一個氫原子帶走全部電子，另一個則一無所有，叫做異裂

氫原子的“和平分手”——均裂

（自制）

氫原子的“不公平分手”——異裂

（自制）

有趣的是，正是異裂這種“不公平分手”產生了富電子的氫物種（氫物種通常指的是氫元素以不同形態存在的各種形式，包括氫原子、質子和氫負離子等），它們具有非常強的反應能力，能夠與多種物質發生反應。但在傳統反應方式中，想要制造一場“不公平分手”可不容易，需要高溫高壓的苛刻條件，消耗大量能源。

近日，中國科學院大連化學物理研究所王峰研究員團隊等和意大利的里雅斯特大學Paolo Fornasiero教授團隊合作，找到了一種新的策略，讓光成為“分子開鎖匠”，能夠更加輕松地促成氫氣的這場“不公平分手”，相關成果發布在國際期刊《科學》（Science）上。

氫氣異裂的核心是各產生一個帶正電和帶負電的氫物種中心，因此，通過異裂的方式“解鎖”氫氫鍵的“鑰匙”必須必須能與異裂后的氫物種中心相匹配，即自身也需要具備正負電荷中心。所以，尋找氫氣異裂的突破口在于設計能夠同時提供穩定正、負電荷中心的體系。

來自光的“開鎖”靈感

如何才能構建出正負電荷中心？我們（中國科學院大連化學物理研究所研究團隊）從太陽光中獲得了解決難題的靈感。當光激發半導體時，電子吸收光子的能量會“離開”原來的位置，在其原先的位置留下一個帶正電的“空位”，這就同時產生了帶負電的電子和帶正電的空穴——這不正是氫氣“不公平分手”想要打造的正負電荷中心嗎？

空間臨近正負電荷對

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然而，問題并非如此簡單。想要開鎖，不僅鎖孔的“性狀（性質和形狀）”要和鑰匙匹配，兩個鎖孔之間的距離也要與鑰匙匹配才行。因此，光生電子和空穴需要被控制在非常接近的空間內（氫氫鍵的距離，亞納米尺度），才能產生足以驅動氫氫鍵異裂的不均勻電荷環境。可是當距離過近時，電子和空穴又會因為正負電荷相吸而重新結合，正負電荷中心也就隨之消失。

電子和空穴容易因距離過近而重新結合

（自制）

巧用“陷阱”：困住電子與空穴

要讓電子和空穴不發生復合，一個巧妙的策略是將它們分別束縛在空間鄰近的不同位點上，相當于將它們各自困在獨立的“陷阱”中。電子和空穴若要復合，必須先獲得額外的能量“跳出”各自的陷阱，這樣就可以延長電子和空穴的“壽命”，為驅動氫氫鍵異裂創造可能。

將電子和空穴困在獨立的“陷阱”中

（自制）

近年來，科學家們已經成功在一些光電材料上捕捉到了困住電子或空穴的陷阱。然而，這些陷阱都是單側的，沒有被困住的一方則處于游離狀態，不僅有效濃度（電荷密度）較低，還使得電子與空穴難以穩定地維持在極近的空間距離內，無法滿足高效驅動氫氫鍵異裂所必需的要求。

通過已有的研究我們知道，在經典的二氧化鈦半導體上負載金納米顆粒后，半導體受到光激發產生的電子會轉移到金納米顆粒上，在此處形成一個電子中心，即負電荷中心。并且在納米顆粒和半導體交界處有一個能量的“小山坡”，這樣電子就不容易翻過這個山坡，從而達到把電子“困”在金納米顆粒上的效果。

光催化過程產生電子，必然會同時產生空穴。一般觀點認為，這個空穴會在二氧化鈦半導體上，和電子中心的距離比較遠。但也有科學家通過理論研究推測，在納米顆粒和半導體的界面處應該會存在“陷阱”，容易富集空穴。

二氧化鈦半導體上負載金納米顆粒后收到光激發會形成正負電荷中心

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所以，首先要通過實驗驗證空穴的位置！

由于空穴是帶正電荷的，它能夠和低價的金屬離子反應，因此，低價金屬離子就如同是空穴的“成像劑”——在電子顯微鏡下找到金屬離子的位置，就能夠反映空穴所在的位置。經過深度研判和不懈尋找，我們最終在半導體與納米顆粒的交界面找到了捕獲空穴的“陷阱”，有效地阻止了正負電荷的復合，確保正負電荷中心的穩定存在。

給氫氫鍵解鎖的“鑰匙”造好了，但是研究并沒有止步于此。我們發現，二氧化鈦和金納米顆粒界面處“自然”存在的“鑰匙”太少，這會導致異裂效率低下。于是，我們讓二氧化鈦半導體包覆在金納米顆粒上，相當于給這些納米顆粒“穿”了一層半導體“外衣”，大幅增加了二者的界面交界位點數。實驗證明，這種改良使光誘導氫氣異裂的活性增加了7.7倍。

光產生的電子-空穴誘導氫氣發生異裂

（由科研團隊提供）

我們還通過實驗驗證了這種光誘導氫氣異裂的優勢：利用金-二氧化鈦復合材料，通過兩步反應將不易發生反應的二氧化碳近乎完全的轉化為乙烯，且系統可穩定運行1500小時以上。另外，我們通過進一步的研究證明，該系統在自然太陽光下同樣能高效轉化二氧化碳。

優化加氫反應，推動綠色工業發展

這種光誘導氫氣異裂的方式，基本只依賴于光生電荷的產生，相對來說反應更容易被調控，也更加溫和，具有廣闊的應用前景及價值。

首先，這種創新的氫氣解離策略有望應用于需要常溫常壓實現加氫反應的場景，不僅能降低能耗，也能提高加氫反應安全性。例如，二氧化碳加氫轉化成多碳產物的過程一般需要200℃以上的溫度和1 MPa以上的氫氣壓力，如果氫氣泄漏就容易發生爆炸。而采用這種新策略后，反應的溫度和壓力能夠大幅降低（80攝氏度、常壓環境即可）。

其次，該方法還能為碳資源優化利用和實現碳中和的目標提供助力，有望實現低溫加氫脫氧，實現生物質轉化為液體燃料，與現有可再生電能和氫能等非碳基能源形成互補。

此外，該策略拓展了多相催化的研究思路，為同步提高多相催化中活性和選擇性提供了借鑒。

至此，這束光不僅拆解開了分子之鎖，也將在科學家的指引下，照亮一條通向綠色未來的路！

出品：科普中國

作者：羅能超（中國科學院大連化學物理研究所）陳思（中國科學院大連化學物理研究所）

監制：中國科普博覽