光合作用的科技版：人工光催化的奇妙之旅

2024 年 10 月 17 日，河南师范大学副教授、硕士生导师吕馨馨在今日科普·星空讲坛“魅力化学无限可能”主题场带来演讲《光合作用的科技版：人工光催化的奇妙之旅》。

以下为吕馨馨的演讲节选：

PART1 什么是光催化？

光催化是一种在光的照射下，利用催化剂将光能转化为化学能、并促进化学反应的过程。

光催化的原理是，在光的照射下，催化剂吸收光能，在导带产生电子，在价带产生空穴，随后产生的电子和空穴分别来到物体表面，与吸附在表面的物质发生强烈的氧化还原反应的过程。

可以用一个形象的比喻来帮助大家理解这些概念：将催化剂二氧化碳比作一条河流，导带比作河的上游，价带比作河的下游，而电子则比作河中的小船。在没有额外能量输入的情况下，小船只能停留在下游。但是，一旦小船吸收了足够的光能，它就会获得足够的动力，逆流而上到达上游，完成其运输或反应的任务。

PART2 光催化的主要研究方向和应用有哪些

1）降解水中污染物

随着工业化和现代化的持续推进，环境污染问题，尤其是水污染，变得越来越严重。与传统的水污染治理方法相比，光催化技术以其绿色环保和不产生二次污染的优势而受到关注。通过光催化反应，可以有效地处理染料废水、医疗废水以及含重金属的废水等。

2）分解水制氢

目前，我们依赖的化石燃料储量有限，其燃烧还会带来温室效应和环境污染。因此，制造清洁的可再生能源成为了科学研究的重点。我们知道，水是地球上最丰富的资源，理论上可以无限循环使用，所以，分解水制氢就是一个代替化石能源的好办法。

然而，传统的制氢工艺具有高能耗、高成本和环境污染的缺点，应用得越来越少。新型的制氢方法是利用生物质、太阳能和热化学方法制取氢气。其中，利用太阳能进行光催化分解水制氢，能有效地将太阳能转化为化学能，被认为是解决全球能源和环境问题的理想途径之一。

3**）**CO2 还原

化石燃料的燃烧会造成温室效应，降低大气当中二氧化碳的含量是一个亟待解决的问题。利用光催化技术可以在低能耗的条件下把我们大气中的二氧化碳转化为甲烷、甲醇、甲酸等有机物，是具有很高的应用价值。

4）空气净化、抗菌

通过特定的光线照射，可以激活纳米光催化剂，生成电子-空穴对，这些电子-空穴对促使催化剂与周围的氢气和氧气反应，生成具有强氧化能力的氢氧自由基。氢氧自由基能够包围并分解空气中的有害物质，抑制细菌生长，实现空气净化、杀菌防霉、去除异味和消除空气污染。基于这一原理，光催化捕蚊器结合了光催化反应和物理捕蚊机制。利用蚊子的趋光性，捕蚊器首先用光线吸引蚊子，然后光触媒在光照下产生二氧化碳和水，模拟人类呼出的气体，吸引蚊子进入捕获区域，从而实现灭蚊效果；在手术室中，光触媒技术也被用于抗菌目的。在光照条件下，光触媒能够杀死表面的细菌，使其成为无菌手术室。

5）有机合成

光催化有机合成反应条件温和，具备高反应活性、高选择性，简单环保，目前是有机合成领域的研究热点。有机光化学合成能够实现多种类型的反应，这些反应有利于提高产物的产率和纯度，减少副产物产生，降低生产成本。同时光反应可以构建结构复杂的分子骨架，得到意想不到的产物。

PART3 探索有机光催化：绿色合成与创新应用

下面，结合我们团队的研究领域，来一起了解下有机光催化的内容。

催化反应是合成化学的重要内容，是创造新物质的主要途径，而光促进的催化反应，它的特点是以光为能源，通过能量或电子转移实现系列自由基反应。这种反应具有环境友好、反应活性高、条件温和等优点。因此，利用光能实现化学键的高效精准构建，是绿色合成的重要创新动力。通过此类反应，能够人工合成许多有用的化合物。

例如玫瑰醚和维生素D2的合成，其中光反应是核心步骤。玫瑰醚是一种具有玫瑰花香的香精，最初从保加利亚玫瑰的精油中提取，后发现存在于多种植物中，但含量微小。因其特殊香味，玫瑰醚被广泛用于香水和化妆品中。由于市场需求量大，化学家们开始想方设法研究其化学合成方法，以香茅醇为原料合成玫瑰醚。该路线通过光氧化、还原、环化三步制得，产率很高，是最具生产力的玫瑰醚生产路线。

另外，我们都知道维生素D2的作用是促进机体钙和磷吸收，可治疗骨质疏松、佝偻病等。多种醇类物质如麦角固醇、光甾醇、速甾醇，都可通过光反应转变为预维生素D2，再经过下一步合成得到维生素D2。

此外，一些结构复杂的药物活性分子和先导化合物也能通过光反应合成。目前，有机光催化领域使用的高效催化剂超过50种，包括金属光催化剂和有机小分子催化剂，它们具有不同的氧化还原电位和激发态能量，适用于不同的反应。

我们团队设计合成了一种高效的有机光催化剂——DPZ。这种光催化剂的合成非常简单，仅需一步即可以极高收率获得，而且它具有优异的光电性质，能在可见光蓝光照射下催化反应。它的催化量可低至0.01%摩尔，即1/10,000的催化当量，显示出了高效的催化活性。

基于光催化和手性氢键协同的催化平台，目前利用DPZ光催化平台合成的手性化合物、重要有机中间体和活性物质关键结构已达60余类，1,000余个，为有机光催化领域的深入研究提供了有力支撑。

光催化是一个充满朝气与挑战的研究领域，我们相信未来它将在环境、能源、医疗、化工和材料等领域实现变革式发展。而新兴技术的开发和应用将为人类生活带来更多便利。