Чтобы разорвать связи между молекулами водорода, были задействованы золото, титан и ультрафиолетовое излучение. Образовавшийся водород был использован исследователями для превращения углекислого газа в этилен.
Гидрирование, то есть реакция присоединения водорода к органическим соединениям, играет ключевую роль в химической индустрии. Благодаря ей из нефти получают топливо, пластмассы, моющие средства, спирты, а также загустители и стабилизаторы, используемые в пищевой промышленности.
Для осуществления реакции гидрирования необходимо разделить молекулярный водород, H₂, на атомы водорода. Данный этап представляет собой реакцию диссоциации. Она протекает двумя способами: гомолитическим и гетеролитическим. Для обеих реакций используют катализаторы — вещества, ускоряющие протекание реакций. Часто катализаторы — редкие и дорогие вещества: золото, медь, платина, палладий.
Гетеролитическая реакция протекает при температурах, достигающих сотен градусов Цельсия, и под воздействием высокого давления, в результате чего образуются положительно и отрицательно заряженные ионы водорода. Гомолитическая диссоциация водорода приводит к образованию двух нейтральных атомов водорода. В целях промышленного применения более предпочтительна первая, поскольку она формирует «активный» водород, который легче вступает во взаимодействие с другими соединениями. Однако из-за высоких температур, необходимых для ее осуществления, она требует значительных затрат энергии и сопряжена с рисками.
Новая стратегия гетеролитического расщепления была создана учеными H₂. В качестве катализатора применяли диоксид титана с наночастицами золота ( Au/TiO₂), и внедрили в технологический цикл воздействие ближним ультрафиолетовым излучением с длиной волны 365 нанометров. Благодаря этому стало возможным разделение водорода при комнатной температуре. Исследование опубликовано в журнале Science.
В статье химики всесторонне описывают механизм фотохимического распада водорода. Под воздействием ультрафиолетового излучения электроны мигрируют из TiO₂ в наночастицы золота (Au), а поры заполняются дефектами, возникающими на границе раздела сред, обусловленной структурой Au–O–Ti. Электроны оказываются вблизи как золота, так и дырочных состояний. В результате формируются электрон-дырочные пары, которые инициируют разрушение 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.
Разработанная технология дала возможность исследователям преобразовать инертный диоксид углерода ( CO₂) до этана при обычной температуре. В дальнейшем фотокаталитическое дегидрирование этана привело к формированию этилена. Эффективность реакции превышает 99% и поддерживается в течение 1500 часов под воздействием ультрафиолетового излучения. Их подход оказался эффективным при использовании солнечного света, поскольку спектр солнечного излучения содержит необходимую длину волны ультрафиолета.
Эти данные дают ученым основания для оптимизма относительно их подхода 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.