鉴于目前的能源危机，能耗需求是制约现代化工发展的重要因素之一。以太阳能驱动有机合成过程，将有望替代传统的热催化技术，从而实现低能耗的化工生产。在该技术途径中，将太阳能转化储存为化学能，为缓解当前的能源困境提供了一种新的思路。该技术的核心关键在于如何降低催化剂材料成本并提高能量转换效率。近日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，设计了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。该工作在线发表于重要化学期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.6b04629），共同第一作者是博士生张宁和李喜玉。
基于氧化钨纳米晶体缺陷工程的光催化有氧偶联技术原理图示及性能
现今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，存在高催化剂材料成本、高能耗等缺点，限制了其进一步发展。例如，与众多有机环氧化、碳氢化合物氧化、醇类氧化及有氧偶联反应相关的氧分子活化过程，通常是利用贵金属催化或热能完成的。与贵金属催化剂相比，金属氧化物具有低成本等优点，且可展现出光催化活性，是一类理想的催化材料。然而，金属氧化物在氧分子活化体系中的表现却不尽人意，其瓶颈在于无法有效地俘获太阳能并将之传递给氧分子。
熊宇杰课题组针对该挑战，设计出了一类具有精准可控氧空位缺陷态的氧化钨纳米结构。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。在该工作中，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地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。这两方面的贡献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。熊宇杰课题组通过与江俊教授合作，以理论模拟方法清晰地描述了氧空位缺陷态在这两方面的贡献。国家同步辐射实验室的宋礼教授和朱俊发教授课题组则分别利用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。基于该认识，研究人员得以通过晶体缺陷工程来调控太阳能驱动有机有氧偶联反应的性能，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。
研究工作得到了科技部973计划、国家自然科学基金、国家青年创新人才计划、中科院人才项目入选者计划、合肥大科学中心、校重要方向项目培育基金等项目的资助。
（化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家实验室、能源材料化学协同创新中心、合肥大科学中心、国家同步辐射实验室）