Bei den Hydrierungsreaktionen der chemischen Industrie erfordert das Cracken von Wasserstoff in der Regel hohe Temperaturen und Drücke, was viel Energie verbraucht und die Sicherheitsrisiken erhöht. Lange Zeit war das Erreichen einer effizienten Wasserstoffspaltung unter normalen Temperaturbedingungen ein wichtiges Ziel von Wissenschaftlern.
Den neuesten Nachrichten der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zufolge haben chinesische Wissenschaftler das Ziel einer effizienten Dissoziation von Wasserstoffgas bei Raumtemperatur als Weltneuheit erreicht, was den Energieverbrauch bei herkömmlichen Hydrierungsprozessen erheblich senken, die Kohlendioxidemissionen verringern und zur optimierten Nutzung von Kohlenstoffressourcen in der chemischen Industrie beitragen wird.
Dieser bahnbrechende neue Fortschritt auf dem Gebiet der photokatalytischen Wasserstoffspaltung wurde von einem Team unter der Leitung des Forschers Wang Feng vom Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Zusammenarbeit unter anderem mit Professor Paolo Fornasiero von der Universität Triest, Italien, erzielt. Die entsprechende Forschungsarbeit wurde in den frühen Morgenstunden des 5. September Pekinger Zeit online in der international renommierten Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.
Der Forscher Wang Feng, der Korrespondenzautor des Artikels, stellte vor, dass Hydrierungsreaktionen eine der wichtigsten Reaktionen in der chemischen Industrie seien und in etwa einem Viertel der chemischen Reaktionsverfahren mindestens einen Hydrierungsschritt beinhalteten. Einer der Kernschritte von Hydrierungsreaktionen ist die Wasserstoffaktivierung, die sowohl homolytische als auch heterolytische Mechanismen umfasst. Unter anderem entstehen durch die heterolytische Spaltung von Wasserstoff polare Wasserstoffspezies, die sich durch hohe Reaktivität und selektive Hydrierung polarer funktioneller Gruppen auszeichnen, wodurch die Erzeugungsrate vieler wichtiger chemischer Produkte erhöht und Nebenreaktionen reduziert werden.
In dieser Studie durchbrach das Forschungsteam die zuvor entwickelte photokatalytische Umwandlungsmethode, die „unabhängig“ Halb--Reaktionen von photoangeregten Elektronen und Löchern induziert, und schlug vor, photoangeregte Elektronen und Löcher zu nutzen, um räumlich benachbarte positive und negative Ladungszentren aufzubauen und so eine Wasserstoffheterolyse unter Umgebungsbedingungen zu erreichen.
Als Modellkatalysator nutzte das Forschungsteam Gold/Titandioxid. Durch die Anregung von Titandioxid mit ultraviolettem Licht können die erzeugten Elektronen auf die Goldnanopartikel übertragen und dort eingefangen werden. Unterdessen gibt es Defektzustände aus Gold-Sauerstoff-Titan an der Grenzfläche zwischen den Goldnanopartikeln und Titandioxid, in denen fotogenerierte Löcher eingefangen werden können. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich die Löcher und Elektronen an der Gold-Sauerstoff-Titan-Grenzfläche bzw. den Goldnanopartikeln und bilden räumlich benachbarte gebundene Elektronen-Lochpaare. Wenn daher der Mechanismus der gebundenen Elektronen-{9}}Loch-Paare die Wasserstoff-Photodissoziation dominiert, steigt die Aktivität von Gold/Titandioxid bei der Katalyse der Wasserstoff-Photodissoziation linear mit stärkerer Lichtintensität.
Anschließend verifizierte das Forschungsteam die Vorteile dieser lichtinduzierten Hydrierung durch eine Reduktionsreaktion von inertem Kohlendioxid weiter und entdeckte, dass die erzeugte Wasserstoffspezies inertes Kohlendioxid bei Raumtemperatur vollständig umwandeln kann, wobei das einzige Produkt Ethan ist. Dann kann Kohlendioxid durch eine Vorrichtung, die Ethan in Ethylen umwandelt, quantitativ zu Ethylen reduziert werden, und der Katalysator kann über 1500 Stunden lang ohne Desaktivierung stabil arbeiten.
Das Forschungsteam wies darauf hin, dass die neueste Entwicklung der photokatalytischen Methode zur Wasserstoffspaltung auf mit Gold/Stickstoff dotierte Oxide, Gold/Ceroxid und Gold/Wismuth-Vanadat-Photokatalysatoren ausgeweitet werden kann und auch Sonnenlicht nutzen kann, um die Hydrierung von Kohlendioxid zu Ethan mit einer Selektivität von 90 % zu erreichen.
Wang Feng erklärte, dass durch effizientes, nicht{0}thermisches Cracken von Wasserstoff bei Raumtemperatur unter Verwendung von Wasserstoff und Kohlendioxid als Rohstoffe zur Herstellung von Produkten mit hoher -Wertschöpfung- wie Ethan und Ethylen erhebliche Reduzierungen des Energieverbrauchs und der Emissionen erreicht werden, was zur optimierten Nutzung von Kohlenstoffressourcen in der chemischen Industrie beiträgt.
Er gab bekannt, dass das Forschungsteam in Zukunft eingehende-Studien zu Reaktionsprozessen durchführen wird, in der Hoffnung, einen industriellen Technologiepfad zu entwickeln, der auf dieser Grundlage Licht und photothermische Energie koppelt und so ein neues Modell für die Modernisierung und Transformation moderner kohlechemischer Industrien bietet.
Quelle: China News Service