中國科學技術大學熊宇杰教授課題組設計了一類獨特的金屬鈀納米材料，同時具有高催化活性和太陽能利用特性，在光驅動有機加氫反應中展現出優異的催化性能，在室溫光照下即可達到70攝氏度加熱反應的催化轉化效率。該成果近日發表在國際著名化學期刊《德國應用化學》上。
鑒于化石能源的過度開采和逐漸枯竭，太陽能向化學能的定向轉換已日益引起業界的廣泛關注。傳統的利用太陽能驅動化學反應路徑是基于半導體的光催化技術，但半導體材料對于很多有機反應并不具有高催化活性及選擇性。針對該瓶頸問題，材料化學家們提出通過結合金屬的催化活性和光學特性來實現有機催化反應，希望替代傳統的熱催化方法。
金屬鈀是眾多有機反應的高效催化劑，例如它與氫氣的相互作用使其具有優異的加氫反應催化性能。但與常見的金銀相比，常規金屬鈀納米材料的吸收太陽光能力較差，吸光范圍局限在僅占太陽能5%的紫外波段，給太陽能俘獲和利用帶來巨大困難。
針對這一挑戰，熊宇杰小組設計了一類尺寸為50納米且具有內凹型結構的金屬鈀納米材料，通過降低結構對稱性和增大顆粒尺寸，使其能夠在可見光寬譜范圍內吸光，吸光后的光熱效應足以為有機加氫反應提供熱源。該設計的獨特之處在于，納米結構的尖端棱角處具有超強的聚光能力從而產生局部高溫，并且棱角處也是加氫反應的高活性位點，實現了太陽能利用和催化活性的合二為一。基于該設計，他們開發出的金屬鈀納米材料在室溫光照下即可有效驅動有機加氫反應，而傳統熱催化技術需要將反應加熱至70攝氏度以上才能實現完全化學轉化。
熊宇杰表示，迄今為止，基于金屬材料的光驅動催化反應還是一個新興研究方向，業界對于其過程中金屬材料扮演的角色還不太清楚。該進展不但為利用太陽能替代熱源驅動有機催化反應提供了可能，也對相關催化材料的科學設計具有重要推動作用，未來有望應用于重要化學品的光合成。
