光合作用的科技版：人工光催化的奇妙之旅

2024 年 10 月 17 日，河南師范大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師呂馨馨在科普中國(guó)·星空講壇“魅力化學(xué)無(wú)限可能”主題場(chǎng)帶來(lái)演講《光合作用的科技版：人工光催化的奇妙之旅》。

以下為呂馨馨的演講節(jié)選：

PART1 什么是光催化？

光催化是一種在光的照射下，利用催化劑將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能、并促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。

光催化的原理是，在光的照射下，催化劑吸收光能，在導(dǎo)帶產(chǎn)生電子，在價(jià)帶產(chǎn)生空穴，隨后產(chǎn)生的電子和空穴分別來(lái)到物體表面，與吸附在表面的物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的氧化還原反應(yīng)的過(guò)程。

可以用一個(gè)形象的比喻來(lái)幫助大家理解這些概念：將催化劑二氧化碳比作一條河流，導(dǎo)帶比作河的上游，價(jià)帶比作河的下游，而電子則比作河中的小船。在沒(méi)有額外能量輸入的情況下，小船只能停留在下游。但是，一旦小船吸收了足夠的光能，它就會(huì)獲得足夠的動(dòng)力，逆流而上到達(dá)上游，完成其運(yùn)輸或反應(yīng)的任務(wù)。

PART2 光催化的主要研究方向和應(yīng)用有哪些

1）降解水中污染物

隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化的持續(xù)推進(jìn)，環(huán)境污染問(wèn)題，尤其是水污染，變得越來(lái)越嚴(yán)重。與傳統(tǒng)的水污染治理方法相比，光催化技術(shù)以其綠色環(huán)保和不產(chǎn)生二次污染的優(yōu)勢(shì)而受到關(guān)注。通過(guò)光催化反應(yīng)，可以有效地處理染料廢水、醫(yī)療廢水以及含重金屬的廢水等。

2）分解水制氫

目前，我們依賴的化石燃料儲(chǔ)量有限，其燃燒還會(huì)帶來(lái)溫室效應(yīng)和環(huán)境污染。因此，制造清潔的可再生能源成為了科學(xué)研究的重點(diǎn)。我們知道，水是地球上最豐富的資源，理論上可以無(wú)限循環(huán)使用，所以，分解水制氫就是一個(gè)代替化石能源的好辦法。

然而，傳統(tǒng)的制氫工藝具有高能耗、高成本和環(huán)境污染的缺點(diǎn)，應(yīng)用得越來(lái)越少。新型的制氫方法是利用生物質(zhì)、太陽(yáng)能和熱化學(xué)方法制取氫氣。其中，利用太陽(yáng)能進(jìn)行光催化分解水制氫，能有效地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，被認(rèn)為是解決全球能源和環(huán)境問(wèn)題的理想途徑之一。

3**）**CO2 還原

化石燃料的燃燒會(huì)造成溫室效應(yīng)，降低大氣當(dāng)中二氧化碳的含量是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。利用光催化技術(shù)可以在低能耗的條件下把我們大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷、甲醇、甲酸等有機(jī)物，是具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

4）空氣凈化、抗菌

通過(guò)特定的光線照射，可以激活納米光催化劑，生成電子-空穴對(duì)，這些電子-空穴對(duì)促使催化劑與周圍的氫氣和氧氣反應(yīng)，生成具有強(qiáng)氧化能力的氫氧自由基。氫氧自由基能夠包圍并分解空氣中的有害物質(zhì)，抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)空氣凈化、殺菌防霉、去除異味和消除空氣污染?；谶@一原理，光催化捕蚊器結(jié)合了光催化反應(yīng)和物理捕蚊機(jī)制。利用蚊子的趨光性，捕蚊器首先用光線吸引蚊子，然后光觸媒在光照下產(chǎn)生二氧化碳和水，模擬人類呼出的氣體，吸引蚊子進(jìn)入捕獲區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)滅蚊效果；在手術(shù)室中，光觸媒技術(shù)也被用于抗菌目的。在光照條件下，光觸媒能夠殺死表面的細(xì)菌，使其成為無(wú)菌手術(shù)室。

5）有機(jī)合成

光催化有機(jī)合成反應(yīng)條件溫和，具備高反應(yīng)活性、高選擇性，簡(jiǎn)單環(huán)保，目前是有機(jī)合成領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。有機(jī)光化學(xué)合成能夠?qū)崿F(xiàn)多種類型的反應(yīng)，這些反應(yīng)有利于提高產(chǎn)物的產(chǎn)率和純度，減少副產(chǎn)物產(chǎn)生，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)光反應(yīng)可以構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分子骨架，得到意想不到的產(chǎn)物。

PART3 探索有機(jī)光催化：綠色合成與創(chuàng)新應(yīng)用

下面，結(jié)合我們團(tuán)隊(duì)的研究領(lǐng)域，來(lái)一起了解下有機(jī)光催化的內(nèi)容。

催化反應(yīng)是合成化學(xué)的重要內(nèi)容，是創(chuàng)造新物質(zhì)的主要途徑，而光促進(jìn)的催化反應(yīng)，它的特點(diǎn)是以光為能源，通過(guò)能量或電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)系列自由基反應(yīng)。這種反應(yīng)具有環(huán)境友好、反應(yīng)活性高、條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。因此，利用光能實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍵的高效精準(zhǔn)構(gòu)建，是綠色合成的重要?jiǎng)?chuàng)新動(dòng)力。通過(guò)此類反應(yīng)，能夠人工合成許多有用的化合物。

例如玫瑰醚和維生素D2的合成，其中光反應(yīng)是核心步驟。玫瑰醚是一種具有玫瑰花香的香精，最初從保加利亞玫瑰的精油中提取，后發(fā)現(xiàn)存在于多種植物中，但含量微小。因其特殊香味，玫瑰醚被廣泛用于香水和化妝品中。由于市場(chǎng)需求量大，化學(xué)家們開始想方設(shè)法研究其化學(xué)合成方法，以香茅醇為原料合成玫瑰醚。該路線通過(guò)光氧化、還原、環(huán)化三步制得，產(chǎn)率很高，是最具生產(chǎn)力的玫瑰醚生產(chǎn)路線。

另外，我們都知道維生素D2的作用是促進(jìn)機(jī)體鈣和磷吸收，可治療骨質(zhì)疏松、佝僂病等。多種醇類物質(zhì)如麥角固醇、光甾醇、速甾醇，都可通過(guò)光反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)維生素D2，再經(jīng)過(guò)下一步合成得到維生素D2。

此外，一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的藥物活性分子和先導(dǎo)化合物也能通過(guò)光反應(yīng)合成。目前，有機(jī)光催化領(lǐng)域使用的高效催化劑超過(guò)50種，包括金屬光催化劑和有機(jī)小分子催化劑，它們具有不同的氧化還原電位和激發(fā)態(tài)能量，適用于不同的反應(yīng)。

我們團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了一種高效的有機(jī)光催化劑——DPZ。這種光催化劑的合成非常簡(jiǎn)單，僅需一步即可以極高收率獲得，而且它具有優(yōu)異的光電性質(zhì)，能在可見(jiàn)光藍(lán)光照射下催化反應(yīng)。它的催化量可低至0.01%摩爾，即1/10,000的催化當(dāng)量，顯示出了高效的催化活性。

基于光催化和手性氫鍵協(xié)同的催化平臺(tái)，目前利用DPZ光催化平臺(tái)合成的手性化合物、重要有機(jī)中間體和活性物質(zhì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)已達(dá)60余類，1,000余個(gè)，為有機(jī)光催化領(lǐng)域的深入研究提供了有力支撐。

光催化是一個(gè)充滿朝氣與挑戰(zhàn)的研究領(lǐng)域，我們相信未來(lái)它將在環(huán)境、能源、醫(yī)療、化工和材料等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)變革式發(fā)展。而新興技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用將為人類生活帶來(lái)更多便利。