太陽能驅(qū)動有機(jī)合成過程 有望替代傳統(tǒng)熱催化技術(shù)

當(dāng)今的有機(jī)化工體系中，絕大部分催化反應(yīng)是基于貴金屬催化劑的使用，并且是依靠石油、煤炭的燃燒所驅(qū)動的，存在催化劑材料成本高、能耗高等缺點(diǎn)。同時(shí)，金屬氧化物在氧分子活化體系中的表現(xiàn)并不盡人意，無法有效俘獲太陽能并將之傳遞給氧分子。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授課題組基于無機(jī)固體精準(zhǔn)制備化學(xué)，采用晶體缺陷工程，設(shè)計(jì)出一類具有缺陷態(tài)的氧化鎢納米結(jié)構(gòu)，在廣譜光照條件下展現(xiàn)出優(yōu)異的有氧偶聯(lián)催化性能，有望實(shí)現(xiàn)低能耗和低成本的有機(jī)化工技術(shù)。該成果7月11日在線發(fā)表在國際重要化學(xué)期刊《美國化學(xué)會志》上。

通常金屬氧化物的金屬原子具有配位飽和的特點(diǎn)，無法通過化學(xué)吸附來活化氧分子。而氧空位缺陷的構(gòu)筑克服了該缺點(diǎn)，促進(jìn)了光生電子從氧化物催化劑向氧分子的高效轉(zhuǎn)移。另一方面，缺陷態(tài)的出現(xiàn)大幅度擴(kuò)寬了光催化劑的吸光范圍，使其在可見光和近紅外光區(qū)寬譜范圍內(nèi)俘獲太陽能。這就實(shí)現(xiàn)了太陽能的有效俘獲及能量轉(zhuǎn)換傳遞，解決了氧化物催化劑在光催化有機(jī)合成中的瓶頸問題。

“該成果是多學(xué)科交叉合作的結(jié)果”，熊宇杰說，其課題組在取得催化劑設(shè)計(jì)進(jìn)展的基礎(chǔ)上，與本校江俊教授合作，以理論模擬方法清晰地描述了氧空位缺陷態(tài)在上述兩方面的貢獻(xiàn)，深入理解了其作用機(jī)制。而該校國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室宋禮教授和朱俊發(fā)教授課題組分別利用X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜和光電子能譜，解析了缺陷態(tài)光催化劑的精細(xì)配位結(jié)構(gòu)及能帶結(jié)構(gòu)，證實(shí)了理論模擬結(jié)果。“正是基于該認(rèn)識，我們得以通過晶體缺陷工程來調(diào)控太陽能向化學(xué)能轉(zhuǎn)換的性能，為利用太陽能替代熱源驅(qū)動有機(jī)合成提供了可能性，也對光催化材料的理性設(shè)計(jì)具有重要推動作用。”