太阳能驱动有机合成过程 有望替代传统热催化技术

当今的有机化工体系中，绝大部分催化反应是基于贵金属催化剂的使用，并且是依靠石油、煤炭的燃烧所驱动的，存在催化剂材料成本高、能耗高等缺点。同时，金属氧化物在氧分子活化体系中的表现并不尽人意，无法有效俘获太阳能并将之传递给氧分子。中国科学技术大学熊宇杰教授课题组基于无机固体精准制备化学，采用晶体缺陷工程，设计出一类具有缺陷态的氧化钨纳米结构，在广谱光照条件下展现出优异的有氧偶联催化性能，有望实现低能耗和低成本的有机化工技术。该成果7月11日在线发表在国际重要化学期刊《美国化学会志》上。

通常金属氧化物的金属原子具有配位饱和的特点，无法通过化学吸附来活化氧分子。而氧空位缺陷的构筑克服了该缺点，促进了光生电子从氧化物催化剂向氧分子的高效转移。另一方面，缺陷态的出现大幅度扩宽了光催化剂的吸光范围，使其在可见光和近红外光区宽谱范围内俘获太阳能。这就实现了太阳能的有效俘获及能量转换传递，解决了氧化物催化剂在光催化有机合成中的瓶颈问题。

“该成果是多学科交叉合作的结果”，熊宇杰说，其课题组在取得催化剂设计进展的基础上，与本校江俊教授合作，以理论模拟方法清晰地描述了氧空位缺陷态在上述两方面的贡献，深入理解了其作用机制。而该校国家同步辐射实验室宋礼教授和朱俊发教授课题组分别利用X射线吸收精细结构谱和光电子能谱，解析了缺陷态光催化剂的精细配位结构及能带结构，证实了理论模拟结果。“正是基于该认识，我们得以通过晶体缺陷工程来调控太阳能向化学能转换的性能，为利用太阳能替代热源驱动有机合成提供了可能性，也对光催化材料的理性设计具有重要推动作用。”