基於晶體缺陷工程的低能耗低成本有機合成技術取得重要進展
鑑於目前的能源危機，能耗需求是制約現代化工發展的重要因素之一。以太陽能驅動有機合成過程，將有望替代傳統的熱催化技術，從而實現低能耗的化工生產。在該技術途徑中，將太陽能轉化儲存為化學能，為緩解當前的能源困境提供了一種新的思路。該技術的核心關鍵在於如何降低催化劑材料成本並提高能量轉換效率。近日中國科學技術大學熊宇傑教授課題組基於無機固體精準製備化學，採用晶體缺陷工程，設計了一類具有缺陷態的氧化鎢納米結構，在廣譜光照條件下展現出優異的有氧偶聯催化性能，有望實現低能耗和低成本的有機化工技術。該工作在線發表於重要化學期刊《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.6b04629），共同第一作者是博士生張寧和李喜玉。
基於氧化鎢納米晶體缺陷工程的光催化有氧偶聯技術原理圖示及性能
現今有機化工體系中絕大部分催化反應是基於貴金屬催化劑的使用，並且是依靠石油、煤炭的燃燒所驅動的，存在高催化劑材料成本、高能耗等缺點，限制了其進一步發展。例如，與眾多有機環氧化、碳氫化合物氧化、醇類氧化及有氧偶聯反應相關的氧分子活化過程，通常是利用貴金屬催化或熱能完成的。與貴金屬催化劑相比，金屬氧化物具有低成本等優點，且可展現出光催化活性，是一類理想的催化材料。然而，金屬氧化物在氧分子活化體系中的表現卻不盡人意，其瓶頸在於無法有效地俘獲太陽能並將之傳遞給氧分子。
熊宇傑課題組針對該挑戰，設計出了一類具有精準可控氧空位缺陷態的氧化鎢納米結構。通常金屬氧化物的金屬原子具有配位飽和的特點，無法通過化學吸附來活化氧分子。在該工作中，氧空位缺陷的構築克服了該缺點，促進了光生電子從氧化物催化劑向氧分子的高效轉移。另一方面，缺陷態的出現大幅度地擴寬了光催化劑的吸光範圍，使其在可見光和近紅外光區寬譜範圍內俘獲太陽能。這兩方面的貢獻實現了太陽能的有效俘獲及能量轉換傳遞，解決了氧化物催化劑在光催化有機合成中的瓶頸問題。熊宇傑課題組通過與江俊教授合作，以理論模擬方法清晰地描述了氧空位缺陷態在這兩方面的貢獻。國家同步輻射實驗室的宋禮教授和朱俊發教授課題組則分別利用X射線吸收精細結構譜和光電子能譜解析了缺陷態光催化劑的精細配位結構及能帶結構，證實了理論模擬結果。基於該認識，研究人員得以通過晶體缺陷工程來調控太陽能驅動有機有氧偶聯反應的性能，為利用太陽能替代熱源驅動有機合成提供了可能性，也對光催化材料的理性設計具有重要推動作用。
研究工作得到了科技部973計劃、國家自然科學基金、國家國家創新人才計劃青年項目、中科院中科院人才計劃、合肥大科學中心、校重要方向項目培育基金等項目的資助。
（化學與材料科學學院、合肥微尺度物質科學國家實驗室、能源材料化學協同創新中心、合肥大科學中心、國家同步輻射實驗室）