納米“尖端”聚光：中國科大發(fā)明光驅(qū)動有機反應(yīng)的金屬催化劑
時間：2021-04-13 00:01:01學(xué)院：化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院學(xué)校：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
? 鑒于化石能源的過度開采和逐漸枯竭，太陽能向化學(xué)能的定向轉(zhuǎn)換已日益引起業(yè)界的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的利用太陽能驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)路徑是基于半導(dǎo)體的光催化技術(shù)，然而半導(dǎo)體材料對于很多有機反應(yīng)來說并不具有高催化活性及選擇性。針對該瓶頸問題，材料化學(xué)家們提出了通過結(jié)合金屬的催化活性和光學(xué)特性（即局域表面等離激元性質(zhì)）來實現(xiàn)有機催化反應(yīng)的思路，從而有望可以替代現(xiàn)有的傳統(tǒng)熱催化方法。
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? 近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授課題組設(shè)計了一類獨特的金屬鈀納米結(jié)構(gòu)，同時具有高催化活性表面和太陽能利用特性，在光驅(qū)動有機加氫反應(yīng)中展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。該工作發(fā)表在重要化學(xué)期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》上（Angew.?Chem.?Int.?Ed.?2015,?54,?2425），共同第一作者是博士后龍冉博士和碩士生饒州鋁。?
? 事實上，金屬鈀是眾多有機反應(yīng)的高效催化劑，例如其與氫氣的相互作用使其具有優(yōu)異的加氫反應(yīng)催化性能。然而，金屬鈀納米結(jié)構(gòu)的局域表面等離激元特性與常見的金銀相比總是差強人意，吸光截面小且響應(yīng)光譜范圍局限在紫外波段，給太陽能俘獲和利用帶來巨大困難。研究人員針對該挑戰(zhàn)，設(shè)計了一類尺寸為50納米且具有內(nèi)凹型結(jié)構(gòu)的金屬鈀納米晶體，通過結(jié)構(gòu)對稱性的降低和顆粒尺寸的增大使其能夠在可見光寬譜范圍內(nèi)吸光，吸光后的光熱效應(yīng)足以為有機加氫反應(yīng)提供熱源。該設(shè)計的獨特之處在于，納米結(jié)構(gòu)的尖端棱角處具有超強的聚光能力從而產(chǎn)生局部高溫，同時棱角處恰恰也是加氫反應(yīng)的高活性位點，實現(xiàn)了太陽能利用和催化活性在空間分布上的合二為一。基于該設(shè)計，研究人員開發(fā)出的金屬鈀納米結(jié)構(gòu)可以在室溫光譜輻照下達到熱反應(yīng)70攝氏度下的催化轉(zhuǎn)化效率。
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? 該工作不僅在技術(shù)上突破了常見鈀催化劑在太陽能利用上的局限，而且在基礎(chǔ)機制的理解上具有一定的科學(xué)意義。研究人員為了實現(xiàn)設(shè)計出的金屬鈀納米晶體的合成，發(fā)展了一種釕離子輔助合成的方法，并通過和我校武曉君教授課題組合作揭示了釕離子在鈀納米晶體形成過程中的表面能調(diào)控作用。在太陽能利用方面，通過和中國科學(xué)院物理研究所李志遠研究員合作在理論上揭示了納米結(jié)構(gòu)的尖端棱角處是聚光完成光熱轉(zhuǎn)換的最優(yōu)位置，同時通過熱電子濃度調(diào)控方法在實驗上闡明了表面等離激元特性在該加氫反應(yīng)中主要是局域光熱效應(yīng)而不是熱電子注入機制。
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? 迄今為止，金屬表面等離激元驅(qū)動催化反應(yīng)尚是一個新興研究方向，業(yè)界對于光熱效應(yīng)和熱電子效應(yīng)在其過程中的競爭作用機制還不甚清楚。該進展不但為利用太陽能替代熱源驅(qū)動有機催化反應(yīng)提供了可能性，也對等離激元催化材料的理性設(shè)計具有重要推動作用。?
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? 研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金、國家及中科院人才計劃、校重要方向項目培育基金和青年創(chuàng)新基金等項目的資助。
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（微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、科研部）
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