中国科学技术大学熊宇杰教授课题组设计了一类独特的金属钯纳米材料，同时具有高催化活性和太阳能利用特性，在光驱动有机加氢反应中展现出优异的催化性能，在室温光照下即可达到70摄氏度加热反应的催化转化效率。该成果近日发表在国际著名化学期刊《德国应用化学》上。
鉴于化石能源的过度开采和逐渐枯竭，太阳能向化学能的定向转换已日益引起业界的广泛关注。传统的利用太阳能驱动化学反应路径是基于半导体的光催化技术，但半导体材料对于很多有机反应并不具有高催化活性及选择性。针对该瓶颈问题，材料化学家们提出通过结合金属的催化活性和光学特性来实现有机催化反应，希望替代传统的热催化方法。
金属钯是众多有机反应的高效催化剂，例如它与氢气的相互作用使其具有优异的加氢反应催化性能。但与常见的金银相比，常规金属钯纳米材料的吸收太阳光能力较差，吸光范围局限在仅占太阳能5%的紫外波段，给太阳能俘获和利用带来巨大困难。
针对这一挑战，熊宇杰小组设计了一类尺寸为50纳米且具有内凹型结构的金属钯纳米材料，通过降低结构对称性和增大颗粒尺寸，使其能够在可见光宽谱范围内吸光，吸光后的光热效应足以为有机加氢反应提供热源。该设计的独特之处在于，纳米结构的尖端棱角处具有超强的聚光能力从而产生局部高温，并且棱角处也是加氢反应的高活性位点，实现了太阳能利用和催化活性的合二为一。基于该设计，他们开发出的金属钯纳米材料在室温光照下即可有效驱动有机加氢反应，而传统热催化技术需要将反应加热至70摄氏度以上才能实现完全化学转化。
熊宇杰表示，迄今为止，基于金属材料的光驱动催化反应还是一个新兴研究方向，业界对于其过程中金属材料扮演的角色还不太清楚。该进展不但为利用太阳能替代热源驱动有机催化反应提供了可能，也对相关催化材料的科学设计具有重要推动作用，未来有望应用于重要化学品的光合成。
原标题：“钯”纳米材料：大幅提高太阳能利用率
