納米“尖端”聚光：中國(guó)科大發(fā)明光驅(qū)動(dòng)有機(jī)反應(yīng)的金屬催化劑
時(shí)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
? 鑒于化石能源的過(guò)度開(kāi)采和逐漸枯竭，太陽(yáng)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(yáng)能驅(qū)動(dòng)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(duì)于很多有機(jī)反應(yīng)來(lái)說(shuō)并不具有高催化活性及選擇性。針對(duì)該瓶頸問(wèn)題，材料化學(xué)家們提出了通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)有機(jī)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授課題組設(shè)計(jì)了一類(lèi)獨(dú)特的金屬鈀納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有高催化活性表面和太陽(yáng)能利用特性，在光驅(qū)動(dòng)有機(jī)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(guó)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(shí)上，金屬鈀是眾多有機(jī)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(jiàn)的金銀相比總是差強(qiáng)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(yáng)能俘獲和利用帶來(lái)巨大困難。研究人員針對(duì)該挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)了一類(lèi)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(guò)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性的降低和顆粒尺寸的增大使其能夠在可見(jiàn)光寬譜范圍內(nèi)吸光，吸光后的光熱效應(yīng)足以為有機(jī)加氫反應(yīng)提供熱源。該設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處在于，納米結(jié)構(gòu)的尖端棱角處具有超強(qiáng)的聚光能力從而產(chǎn)生局部高溫，同時(shí)棱角處恰恰也是加氫反應(yīng)的高活性位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能利用和催化活性在空間分布上的合二為一?；谠撛O(shè)計(jì)，研究人員開(kāi)發(fā)出的金屬鈀納米結(jié)構(gòu)可以在室溫光譜輻照下達(dá)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(jiàn)鈀催化劑在太陽(yáng)能利用上的局限，而且在基礎(chǔ)機(jī)制的理解上具有一定的科學(xué)意義。研究人員為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)程中的表面能調(diào)控作用。在太陽(yáng)能利用方面，通過(guò)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所李志遠(yuǎn)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(shí)通過(guò)熱電子濃度調(diào)控方法在實(shí)驗(yàn)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(jī)制。
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? 迄今為止，金屬表面等離激元驅(qū)動(dòng)催化反應(yīng)尚是一個(gè)新興研究方向，業(yè)界對(duì)于光熱效應(yīng)和熱電子效應(yīng)在其過(guò)程中的競(jìng)爭(zhēng)作用機(jī)制還不甚清楚。該進(jìn)展不但為利用太陽(yáng)能替代熱源驅(qū)動(dòng)有機(jī)催化反應(yīng)提供了可能性，也對(duì)等離激元催化材料的理性設(shè)計(jì)具有重要推動(dòng)作用。?
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? 研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金、國(guó)家及中科院人才計(jì)劃、校重要方向項(xiàng)目培育基金和青年創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。
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（微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)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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