Při hydrogenačních reakcích chemického průmyslu vyžaduje krakování vodíku obvykle vysoké teploty a tlaky, spotřebovává mnoho energie a zvyšuje bezpečnostní rizika. Po dlouhou dobu bylo dosažení účinného vodíkového krakování za normálních teplotních podmínek důležitým cílem, který vědci zkoumali.
Podle nejnovějších zpráv Čínské akademie věd dosáhli čínští vědci jako světovou novinku cíle efektivní disociace plynného vodíku při pokojové teplotě, což výrazně sníží spotřebu energie v tradičních hydrogenačních procesech, sníží emise oxidu uhličitého a pomůže optimalizovat využití zdrojů uhlíku v chemickém průmyslu.
Tohoto převratného nového pokroku v oblasti fotokatalytického štěpení vodíku dosáhl tým vedený výzkumníkem Wangem Fengem z Dalian Institute of Chemical Physics, Čínské akademie věd, mimo jiné ve spolupráci s profesorem Paolo Fornasiero z univerzity v italském Terstu. Související výzkumná zpráva byla publikována online v mezinárodně uznávaném akademickém časopise „Science“ v časných ranních hodinách 5. září pekingského času.
Výzkumník Wang Feng, autor korespondence článku, uvedl, že hydrogenační reakce jsou jednou z důležitých reakcí v chemickém průmyslu, která zahrnuje alespoň jeden krok hydrogenace v přibližně čtvrtině procesů chemických reakcí. Jedním ze základních kroků hydrogenačních reakcí je aktivace vodíku, která zahrnuje jak homolytické, tak heterolytické mechanismy. Mezi nimi heterolytické štěpení vodíku produkuje polární vodíkové druhy, které se vyznačují vysokou reaktivitou a selektivní hydrogenací polárních funkčních skupin, čímž se zvyšuje rychlost tvorby mnoha důležitých chemických produktů a snižují se vedlejší reakce.
V této studii výzkumný tým prolomil dříve vyvinutou metodu fotokatalytické konverze, která indukuje poloviční-reakce fotoexcitovaných elektronů a děr „nezávisle“ a navrhuje využít fotoexcitované elektrony a díry ke konstrukci prostorově sousedících kladných a záporných nábojových center, čímž se dosáhne heterolýzy vodíku za okolních podmínek.
Výzkumný tým použil zlato/oxid titaničitý jako modelový katalyzátor. Vybuzením oxidu titaničitého ultrafialovým světlem se mohou generované elektrony přenést na zlaté nanočástice a zachytit se. Mezitím na rozhraní mezi zlatými nanočásticemi a oxidem titaničitým existují defektní stavy tvořené zlatem-kyslíkem-titanem, kde mohou být zachyceny fotogenerované díry. V tomto bodě se díry a elektrony nacházejí na rozhraní zlata -kyslík-titanu a nanočástic zlata, v daném pořadí, tvořících prostorově sousedící vázané páry elektron{7}}děr. Když tedy mechanismus vázaných elektronových -děrových párů dominuje vodíkové fotodisociaci, aktivita zlata/oxidu titaničitého při katalýze vodíkové fotodisociace se lineárně zvyšuje se silnější intenzitou světla.
Následně výzkumný tým dále ověřil výhody této světlem -indukované hydrogenace prostřednictvím inertní redukční reakce oxidu uhličitého a zjistil, že generované druhy vodíku mohou zcela přeměnit inertní oxid uhličitý při pokojové teplotě, přičemž jediným produktem je ethan. Poté pomocí zařízení, které přeměňuje ethan na ethylen, může být oxid uhličitý kvantitativně redukován na ethylen a katalyzátor může pracovat stabilně po dobu více než 1500 hodin bez deaktivace.
Výzkumný tým poukázal na to, že nejnovější vývoj ve fotokatalytické metodě štěpení vodíku lze rozšířit na fotokatalyzátory dopované zlatem/dusíkem, zlato/oxid ceru a zlato/bismut vanadičnan a může také využít sluneční světlo k dosažení hydrogenace oxidu uhličitého na ethan se selektivitou 90 %.
Wang Feng uvedl, že prostřednictvím účinného vodíkového ne-tepelného krakování při pokojové teplotě, s využitím vodíku a oxidu uhličitého jako surovin k výrobě produktů s vysokou -hodnotou-, jako je etan a etylen, bude dosaženo významného snížení spotřeby energie a emisí, což pomůže optimalizovat využití zdrojů uhlíku v chemickém průmyslu.
Prozradil, že v budoucnu bude výzkumný tým provádět-hloubkové studie reakčních procesů v naději, že vyvine cestu průmyslové technologie, která na základě toho spojí světlo a fototermální energii a poskytne nový model pro modernizaci a transformaci moderního uhelného chemického průmyslu.
Zdroj: China News Service