鉴于目前的能源危机，能耗需求是制约现代化工发展的重要因素之一。利用太阳能来驱动有机合成，有望替代传统的热催化技术，从而实现低能耗的化工生产。在该技术途径中，将太阳能转化储存为化学能，为缓解当前的能源困境提供了一种新的思路。金属纳米结构具有独特的等离激元光学特性，为实现该技术途径提供了机遇。然而，针对在化工生产中充分利用太阳能的要求，业界面临着两个关键的科学与技术难题：如何广谱地俘获太阳能以及如何有效地将俘获的太阳光子能量引入到化学反应中。近日中国科学技术大学熊宇杰教授课题组基于无机固体精准制备化学，设计了一类具有原子精度壳层的双金属纳米结构，具有广谱太阳能利用特性。通过与罗毅教授团队张群教授研究组合作，在皮秒超快时间尺度上诠释了等离激元特性在催化反应中的效应，进而实现了太阳能驱动有机合成性能的调控。该工作在线发表再重要化学期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.6b02532），共同第一作者是博士生黄浩和张雷。
基于原子精度壳层的太阳能驱动有机合成性能调控原理图示
金属钯是众多有机反应的高效催化剂，然而与常见的金银相比，常规金属钯纳米材料的吸收太阳光能力较差，并且吸光范围局限在紫外波段，给太阳能俘获和利用带来了巨大困难。另一方面，金属纳米材料吸光后的等离激元效应非常复杂，一般是通过产生具有高能量的热电子传递给催化反应分子或者以光热转换为催化反应提供热源。如何针对有机合成的需求来调控并优化这两个过程，是目前该领域的难题。
熊宇杰课题组针对该系列挑战，设计出了一类具有原子精度壳层的金-钯核壳纳米结构。在该设计中，金内核的一维棒状结构大幅度地提高了其吸光性能，不仅可以在可见光和近红外光宽谱范围内吸光，而且具有很强的吸光能力。与此同时，在原子精度上厚度可控的金属钯壳层为调控热电子寿命和光热转换速率提供了便利。研究人员基于系统的催化测试，并结合张群课题组的超快吸收光谱表征，建立了这两个等离激元过程与催化有机合成性能之间的内在联系。基于该认识，研究人员得以通过壳层厚度控制来调控太阳能驱动有机合成的性能。迄今为止，金属等离激元驱动催化反应尚是一个新兴研究方向，业界对于光热效应和热电子效应在其过程中的作用机制还不甚清楚。该进展为利用太阳能替代热源驱动有机合成提供了可能性，也对等离激元催化材料的理性设计具有重要推动作用。
研究工作得到了国家自然科学基金、国家青年千人计划、中科院百人计划、合肥大科学中心、中科院先导专项、校重要方向项目培育基金等项目的资助。
