中國科大設計出具有缺陷態的金屬氧化物催化劑

　　近日，中國科學技術大學教授熊宇杰課題組基于無機固體精準制備化學，采用晶體缺陷工程，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。該工作在線發表于《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。

　　現今，絕大部分催化反應是基于貴金屬催化劑的使用，并且是依靠石油、煤炭的燃燒所驅動的，存在催化劑材料高成本、高能耗等缺點。與貴金屬催化劑相比，金屬氧化物具有低成本等優點，但金屬氧化物在氧分子活化體系中的表現卻不盡人意，其瓶頸在于無法有效地俘獲太陽能并將之傳遞給氧分子。

　　針對該挑戰，熊宇杰課題組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，氧空位缺陷的構筑克服了該缺點，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范圍，使其在可見光和近紅外光區寬譜范圍內俘獲太陽能。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。熊宇杰課題組通過與中國科大教授江俊合作，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教授宋禮和朱俊發課題組則分別利用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。基于該認識，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、國家青年千人計劃、中科院百人計劃、合肥大科學中心、校重要方向項目培育基金等項目的資助。

　　基于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