鑒于目前的能源危機，能耗需求是制約現代化工發展的重要因素之一。利用太陽能來驅動有機合成，有望替代傳統的熱催化技術，從而實現低能耗的化工生產。在該技術途徑中，將太陽能轉化儲存為化學能，為緩解當前的能源困境提供了一種新的思路。金屬納米結構具有獨特的等離激元光學特性，為實現該技術途徑提供了機遇。然而，針對在化工生產中充分利用太陽能的要求，業界面臨著兩個關鍵的科學與技術難題：如何廣譜地俘獲太陽能以及如何有效地將俘獲的太陽光子能量引入到化學反應中。近日中國科學技術大學熊宇杰教授課題組基于無機固體精準制備化學，設計了一類具有原子精度殼層的雙金屬納米結構，具有廣譜太陽能利用特性。通過與羅毅教授團隊張群教授研究組合作，在皮秒超快時間尺度上詮釋了等離激元特性在催化反應中的效應，進而實現了太陽能驅動有機合成性能的調控。該工作在線發表再重要化學期刊《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.6b02532），共同第一作者是博士生黃浩和張雷。
基于原子精度殼層的太陽能驅動有機合成性能調控原理圖示
金屬鈀是眾多有機反應的高效催化劑，然而與常見的金銀相比，常規金屬鈀納米材料的吸收太陽光能力較差，并且吸光范圍局限在紫外波段，給太陽能俘獲和利用帶來了巨大困難。另一方面，金屬納米材料吸光后的等離激元效應非常復雜，一般是通過產生具有高能量的熱電子傳遞給催化反應分子或者以光熱轉換為催化反應提供熱源。如何針對有機合成的需求來調控并優化這兩個過程，是目前該領域的難題。
熊宇杰課題組針對該系列挑戰，設計出了一類具有原子精度殼層的金-鈀核殼納米結構。在該設計中，金內核的一維棒狀結構大幅度地提高了其吸光性能，不僅可以在可見光和近紅外光寬譜范圍內吸光，而且具有很強的吸光能力。與此同時，在原子精度上厚度可控的金屬鈀殼層為調控熱電子壽命和光熱轉換速率提供了便利。研究人員基于系統的催化測試，并結合張群課題組的超快吸收光譜表征，建立了這兩個等離激元過程與催化有機合成性能之間的內在聯系。基于該認識，研究人員得以通過殼層厚度控制來調控太陽能驅動有機合成的性能。迄今為止，金屬等離激元驅動催化反應尚是一個新興研究方向，業界對于光熱效應和熱電子效應在其過程中的作用機制還不甚清楚。該進展為利用太陽能替代熱源驅動有機合成提供了可能性，也對等離激元催化材料的理性設計具有重要推動作用。
研究工作得到了國家自然科學基金、國家青年千人計劃、中科院百人計劃、合肥大科學中心、中科院先導專項、校重要方向項目培育基金等項目的資助。
