光誘導による水素の異性解離を室温で実現(Researchers Achieve Light-induced Heterolytic Hydrogen Dissociation at Ambient Temperature)

2025-09-05 中国科学院(CAS)

2025年9月4日、科学誌『Science』に掲載された研究では、中国科学院・大連化学物理研究所の王峰教授とイタリア・トリエステ大学のPaolo Fornasiero教授率いる研究チームが、常温での異種的水素(H₂)解離を光誘起で実現する手法を開発しました。有効な触媒として、金ナノ粒子が担持された二酸化チタン(Au/TiO₂)を用い、紫外光照射によりTiO₂から金へ電子が移動し、Au–O–Ti接合部に正孔(ホール)が残ることで、電子とホールの空間的接近が異種的H₂解離を促進。光強度に比例して反応活性が上昇することから光触媒反応であることが明確になりました。この方法により、CO₂を常温でエタンにほぼ完全に還元でき、さらにそのエタンを光触媒で脱水素化してエチレンを99%以上の収率で生成することに成功。さらに、可視光対応触媒(Au/N-doped TiO₂、Au/CeO₂、Au/BiVO₄)でも同様の手法が適用可能であり、太陽光を使ったCO₂変換実験ではエタン選択率が最大90%に達しました。この成果は、常温・常圧下で光エネルギーを活用し、エタンやエチレンといった高付加価値化学物質をCO₂とH₂から低エネルギーでかつ温室効果ガス排出を抑えて生産する可能性を示しています。

<関連情報>

光化学的H₂解離によるほぼ定量的なCO₂からエチレンへの還元 Photochemical H2 dissociation for nearly quantitative CO2 reduction to ethylene

Ping Jin, Pu Guo, Nengchao Luo, Hui Zhang, […] , and Feng Wang
Science  Published:4 Sep 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/science.adq3445

Editor’s summary

Climate change concerns have prompted research into replacing fossil fuel feedstocks with carbon dioxide to produce commodity chemicals such as ethylene. Jin et al. now report a two-step procedure using near-ultraviolet light that first reduces the carbon dioxide to ethane and then uses a previously reported photocatalyst to oxidize the ethane to ethylene (see the Perspective by Cortés). The first step relies on a gold-titania catalyst that appears to activate hydrogen heterolytically upon photoirradiation, leading to highly selective reductive coupling of carbon dioxide. —Jake S. Yeston

Abstract

Producing olefins by carbon dioxide (CO2) hydrogenation is a long-standing goal. The usual products are multicarbon mixtures because the critical step of heterolytic hydrogen (H2) dissociation at high temperatures complicates selectivity control. In this study, we report that irradiating gold–titanium dioxide at 365 nanometers induces heterolytic H2 dissociation at ambient temperature. This process likely relies on interfacial electric dipoles from photogenerated electrons and holes situated on the metallic gold nanoparticles and interfacial gold–oxygen–titanium scaffolds. The heterolytic H2 dissociation is further promoted by light-induced coating of gold nanoparticles with a titanium oxide layer. The resulting nucleophilic hydrogen species reduce CO2 to ethane in >99% yield under light irradiation in a flow apparatus. Furthermore, cascading with a subsequent photocatalytic ethane dehydrogenation generates ethylene in >99% yield over 1500 hours of irradiation.

0500化学一般
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