Для разрыва связей между молекулами водорода исследователи использовали золото, титан и ультрафиолетовое излучение. Полученный водород применили для превращения углекислого газа в этилен.

Значение гидрирования в промышленности

Гидрирование — реакция присоединения водорода к органическим соединениям — играет ключевую роль в химической промышленности. С помощью этого процесса из нефти получают топливо, пластмассы, моющие средства, спирты, загустители и стабилизаторы для пищевой промышленности.

Катализаторы и механизмы диссоциации водорода

Для проведения реакции гидрирования необходимо разделить молекулярный водород (H₂) на отдельные атомы — этот этап называется диссоциацией. Существуют два основных механизма: гомолитическая и гетеролитическая диссоциация. Для ускорения этих реакций применяют катализаторы, которые часто представляют собой редкие и дорогие металлы, такие как золото, медь, платина и палладий.

Гетеролитическая диссоциация обычно требует высоких температур и давлений, в результате чего образуются положительно и отрицательно заряженные ионы водорода. Гомолитическая диссоциация приводит к образованию двух нейтральных атомов водорода. Для промышленности предпочтительнее гомолитический путь, так как он создает «активный» водород, легче вступающий в реакции. Однако этот процесс энергозатратен и опасен из-за высоких температур.

Новый подход к диссоциации водорода

Исследователи предложили инновационную стратегию гетеролитической диссоциации H₂. В качестве катализатора они использовали диоксид титана с наночастицами золота (Au/TiO₂) и облучали систему ультрафиолетовым светом с длиной волны 365 нанометров. Такой подход позволил разделять водород при комнатной температуре. Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Механизм фотохимической диссоциации

В статье подробно описан механизм фотохимической диссоциации водорода. Под действием ультрафиолета электроны переходят из TiO₂ в наночастицы золота, а дырки захватываются дефектами на границе раздела, образованными структурами Au–O–Ti. Электроны оказываются близко как к золоту, так и к дыркам, формируя электрон-дырочные пары, которые и стимулируют разрыв связей между атомами водорода.

Результаты и перспективы применения

Ученые установили, что активность диссоциации H₂ практически линейно зависит от интенсивности ультрафиолетового излучения, что подтверждает роль освещения как катализатора реакции при комнатной температуре.

Разработанный процесс позволил восстановить инертный диоксид углерода (CO₂) до этана при комнатной температуре, а последующее фотокаталитическое дегидрирование этана привело к образованию этилена. Эффективность реакции составила более 99% за 1500 часов УФ-облучения. Метод также успешно работал под солнечным светом, поскольку в спектре солнечного излучения присутствует необходимая длина волны ультрафиолета.

Эти результаты дают надежду на то, что предложенный метод будет востребован не только в научных исследованиях, но и в промышленности. Ученые видят потенциал масштабирования этой стратегии в технологию, использующую солнечный свет или фототермическое излучение для модернизации химических производств.