Для разрыва связи между молекулами водорода понадобились золото, титан и ультрафиолетовое излучение. Полученный водород ученые использовали для преобразования углекислого газа в этилен.
Реакция присоединения водорода к органическим веществам, гидрирование — одна из важнейших в химической промышленности. С ее помощью из нефти производят топливо, пластмассы, моющие средства, спирты, загустители и стабилизаторы для пищевых применений.
Для реакции гидрирования нужно разделить молекулярный водород, H₂, на атомы водорода. Этот этап — реакция диссоциации. Она протекает двумя путями: гомолитической и гетеролитической диссоциации. Для обеих реакций используют катализаторы — вещества, ускоряющие протекание реакций. Часто катализаторы — редкие и дорогие вещества: золото, медь, платина, палладий.
Гетеролитическую реакцию проводят при температурах в сотни градусов Цельсия и высоких давлениях, в ее результате получают отрицательно и положительно заряженные ионы водорода. Гомолитическая диссоциация водорода создает два нейтральных атома водорода. Для промышленных применений выгоднее первая — она создает «активный» водород, легче взаимодействующий с другими веществами. Но из-за высоких температур протекания она энергозатратна и опасна.
Исследователи разработали новую стратегию гетеролитической диссоциации H₂. Они использовали в качестве катализатора диоксид титана, содержащий наночастицы золота (Au/TiO₂), и добавили в процесс облучение ближним ультрафиолетом на длине волны 365 нанометров. Это позволило разделить водород при комнатной температуре. Исследование опубликовано в журнале Science.
В статье химики подробно рассказывают о механизме фотохимической диссоциации водорода. Под ультрафиолетовым излучением электроны мигрируют из TiO₂ в наночастицы золота (Au), а дырки захватываются дефектами на границе раздела сред, образованными структурами Au–O–Ti. Электроны оказываются близки в пространстве и к золоту, и к дыркам. Формируются электрон-дырочные пары, а уже они стимулируют разрыв связей между атомами водорода.
Ученые выяснили, что активность диссоциации H₂ практически линейно зависела от интенсивности ультрафиолетового излучения. Это подтверждает, что именно освещение является катализатором протекания реакции при комнатной температуре.
Созданный процесс позволил ученым восстановить инертный диоксид углерода (CO₂) до этана при комнатной температуре. Более того, последующее фотокаталитическое дегидрирование этана привело к образованию этилена. Полезный выход реакции — более 99% за 1500 часов УФ-облучения. Их метод работал под солнечными лучами — в спектре излучения Солнца есть нужная длина волны ультрафиолета.
Эти результаты позволяют ученым надеяться, что их метод подойдет не только для научных целей, но и для промышленности. Они видят возможности трансформации найденной ими стратегии в масштабируемую технологию, использующую солнечный свет или фототермическое излучение, для модернизации химических производств.