利用太阳能同时从CO2和H2O制备C2H4与H2O2

将阳光与废气转化为有用化学品

乙烯和过氧化氢是众多日常产品背后的基础化学品，从塑料和纺织品到消毒剂与水处理剂均离不开它们。如今，这些化学品主要在高能耗的化工装置中以化石燃料为原料生产，并伴随大量二氧化碳（CO2）排放。本研究探索了一条不同的途径：利用阳光直接将CO2和水（H2O）同时转化为乙烯和过氧化氢，既为温室气体提供了再利用途径，又有望降低化学品生产的环境代价。

为何乙烯与过氧化氢重要

乙烯是石化工业的基石；其衍生物约占全球石化产量的四分之三。过氧化氢是一种多用途氧化剂，广泛用于消毒、漂白和环境净化。能够用廉价且丰富的CO2和水并以阳光为驱动同时制备这两种产品，可显著改善太阳能化学的经济性。然而，迄今为止，偏向多碳燃料（如乙烯）的体系通常会产生氧气作为副产物，而优化产过氧化氢的体系则多生成简单的碳产物，如一氧化碳或甲烷。

核心思路：同时实现两种偶联反应

挑战的核心在于反应中碎片在催化剂表面的行为。要由CO2生成乙烯，必须让两个含碳片段结合，这一过程称为碳–碳偶联。要生成过氧化氢，则需要两个含氧片段配对。大多数现有光催化剂只擅长一种偶联，因此要么促进碳–碳配对（产生多碳燃料并放出氧气），要么促进氧–氧配对（产生过氧化氢并主要给出单碳产物）。作者提出了一种双重策略：将有利于氧片段配对的位点放置在有利于碳片段结合的位点附近，同时抑制将有价值中间体浪费性地氧化回水或氧气的副反应。

构建分层光驱动催化剂

为实现该策略，研究团队设计了一种由三部分组成的精细结构材料：二氧化钛（TiO2）、溴化银（AgBr）和小尺寸铜簇（Cu）。TiO2是众所周知的光吸收材料，照射时会产生电子和空穴。AgBr颗粒生长在TiO2表面，形成有利于定向光生电荷的结，使电子优先迁移到AgBr。铜纳米簇几乎完全锚定在AgBr上，形成紧密相邻的铜–银位点。精密的电子显微镜与X射线技术确认铜原子以小金属簇的形式坐落在AgBr上，而不是随机分散在TiO2上，从而在电荷和反应分子聚集处形成明确分区。

催化剂如何引导反应

当CO2和少量水蒸气在模拟阳光下接触该催化剂时，TiO2吸收光并将电子驱向AgBr，继而传递到铜位点，而空穴则留在氧化物一侧。AgBr有助于在表面生成高覆盖度的一氧化碳片段，这是构建更大分子的基块。铜发挥两重关键作用：它强烈吸附来源于水的羟基，防止这些羟基被过度氧化为氧气或与氢重新结合成水；同时它把附近的一氧化碳片段拉拢到一起，使两者更易结合成可转化为乙烯的二碳中间体。光谱测量和计算模拟表明，在经铜修饰的表面上，这些含氧片段更有可能偶联生成过氧化氢，而含碳片段则更易配对形成乙烯。

实际性能与稳定性

在实验室条件下，经优化的催化剂（标注为Cu(9)/AgBr(10)/TiO2）生成乙烯的速率比裸TiO2高出300多倍，同时也远超未含铜的AgBr修饰TiO2。与此同时，它产生过氧化氢的速率可与或超过那些仅针对简单碳产物的体系。多日测试显示其活性保持较高，且铜与溴化银的晶体结构与纳米级排列保持稳定。对照实验确认乙烯与过氧化氢确实来自输入的CO2和水，而非杂质。

对更清洁化学工艺的意义

对非专业读者而言，主要信息是：通过精确排列常见材料，可以利用阳光将废弃的CO2和水转化为两种有价值的产品——一种类燃料的构件（乙烯）和一种绿色氧化剂（过氧化氢）。将铜巧妙地置于溴化银上并由二氧化钛支撑，使催化剂能够捕获并引导瞬时的反应片段，避免它们以热、氧气或水的形式损失。尽管这仍处于实验室阶段，该工作指向未来的太阳能反应器，既可减缓温室气体排放，又可更可持续地供应重要化学品。

引用: Xie, Z., Luo, H., Gong, S. et al. Solar-driven co-production of C₂H₄ and H₂O₂ from CO₂ and H₂O. Nat Commun 17, 3057 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69277-4

关键词: 太阳光光催化, 二氧化碳转化, 乙烯生产, 过氧化氢合成, Cu AgBr TiO2 催化剂