2024 年 10 月 17 日，河南師范大學副教授、碩士生導師呂馨馨在科普中國·星空講壇“魅力化學無限可能”主題場帶來演講《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化為化學能、并促進化學反應的過程。

光催化的原理是，在光的照射下，催化劑吸收光能，在導帶產生電子，在價帶產生空穴，隨后產生的電子和空穴分別來到物體表面，與吸附在表面的物質發生強烈的氧化還原反應的過程。

可以用一個形象的比喻來幫助大家理解這些概念：將催化劑二氧化碳比作一條河流，導帶比作河的上游，價帶比作河的下游，而電子則比作河中的小船。在沒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，它就會獲得足夠的動力，逆流而上到達上游，完成其運輸或反應的任務。

PART2 光催化的主要研究方向和應用有哪些

1）降解水中污染物

隨著工業化和現代化的持續推進，環境污染問題，尤其是水污染，變得越來越嚴重。與傳統的水污染治理方法相比，光催化技術以其綠色環保和不產生二次污染的優勢而受到關注。通過光催化反應，可以有效地處理染料廢水、醫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量有限，其燃燒還會帶來溫室效應和環境污染。因此，制造清潔的可再生能源成為了科學研究的重點。我們知道，水是地球上最豐富的資源，理論上可以無限循環使用，所以，分解水制氫就是一個代替化石能源的好辦法。

然而，傳統的制氫工藝具有高能耗、高成本和環境污染的缺點，應用得越來越少。新型的制氫方法是利用生物質、太陽能和熱化學方法制取氫氣。其中，利用太陽能進行光催化分解水制氫，能有效地將太陽能轉化為化學能，被認為是解決全球能源和環境問題的理想途徑之一。

3**）**CO2 還原

化石燃料的燃燒會造成溫室效應，降低大氣當中二氧化碳的含量是一個亟待解決的問題。利用光催化技術可以在低能耗的條件下把我們大氣中的二氧化碳轉化為甲烷、甲醇、甲酸等有機物，是具有很高的應用價值。

4）空氣凈化、抗菌

通過特定的光線照射，可以激活納米光催化劑，生成電子-空穴對，這些電子-空穴對促使催化劑與周圍的氫氣和氧氣反應，生成具有強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，抑制細菌生長，實現空氣凈化、殺菌防霉、去除異味和消除空氣污染。基于這一原理，光催化捕蚊器結合了光催化反應和物理捕蚊機制。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生二氧化碳和水，模擬人類呼出的氣體，吸引蚊子進入捕獲區域，從而實現滅蚊效果；在手術室中，光觸媒技術也被用于抗菌目的。在光照條件下，光觸媒能夠殺死表面的細菌，使其成為無菌手術室。

5）有機合成

光催化有機合成反應條件溫和，具備高反應活性、高選擇性，簡單環保，目前是有機合成領域的研究熱點。有機光化學合成能夠實現多種類型的反應，這些反應有利于提高產物的產率和純度，減少副產物產生，降低生產成本。同時光反應可以構建結構復雜的分子骨架，得到意想不到的產物。

PART3 探索有機光催化：綠色合成與創新應用

下面，結合我們團隊的研究領域，來一起了解下有機光催化的內容。

催化反應是合成化學的重要內容，是創造新物質的主要途徑，而光促進的催化反應，它的特點是以光為能源，通過能量或電子轉移實現系列自由基反應。這種反應具有環境友好、反應活性高、條件溫和等優點。因此，利用光能實現化學鍵的高效精準構建，是綠色合成的重要創新動力。通過此類反應，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，后發現存在于多種植物中，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。由于市場需求量大，化學家們開始想方設法研究其化學合成方法，以香茅醇為原料合成玫瑰醚。該路線通過光氧化、還原、環化三步制得，產率很高，是最具生產力的玫瑰醚生產路線。

另外，我們都知道維生素D2的作用是促進機體鈣和磷吸收，可治療骨質疏松、佝僂病等。多種醇類物質如麥角固醇、光甾醇、速甾醇，都可通過光反應轉變為預維生素D2，再經過下一步合成得到維生素D2。

此外，一些結構復雜的藥物活性分子和先導化合物也能通過光反應合成。目前，有機光催化領域使用的高效催化劑超過50種，包括金屬光催化劑和有機小分子催化劑，它們具有不同的氧化還原電位和激發態能量，適用于不同的反應。

我們團隊設計合成了一種高效的有機光催化劑——DPZ。這種光催化劑的合成非常簡單，僅需一步即可以極高收率獲得，而且它具有優異的光電性質，能在可見光藍光照射下催化反應。它的催化量可低至0.01%摩爾，即1/10,000的催化當量，顯示出了高效的催化活性。

基于光催化和手性氫鍵協同的催化平臺，目前利用DPZ光催化平臺合成的手性化合物、重要有機中間體和活性物質關鍵結構已達60余類，1,000余個，為有機光催化領域的深入研究提供了有力支撐。

光催化是一個充滿朝氣與挑戰的研究領域，我們相信未來它將在環境、能源、醫療、化工和材料等領域實現變革式發展。而新興技術的開發和應用將為人類生活帶來更多便利。

來源: 科普中國說

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