2024 年 10 月 17 日，河南师范大学副教授、硕士生导师吕馨馨在科普中国·星空讲座“魔力化学无限可能”主题场带来演讲《光合用途的科技版：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，借助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伙理解这类定义：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。在没额外能量输入的状况下，小船只能停留在下游。但，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什么

1）降解水中污染物

伴随工业化和现代化的持续推进，环境污染问题，特别是水污染，变得愈加紧急。与传统的水污染治理办法相比，光催化技术以其绿色环保和不产生二次污染的优势而遭到关注。通过光催化反应，可以有效地处置染料废水、医疗废水与含重金属的废水等。

2）分解水制氢

现在，大家依靠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，制造清洗的可再生能源成为了科学研究的重点。大家了解，水是地球上最丰富的资源，理论上可以无限循环用，所以，分解水制氢就是一个代替化石能源的好方法。

然而，传统的制氢工艺具备高能耗、高本钱和环境污染的缺点，应用得愈加少。新型的制氢办法是借助生物质、太阳能和热化学办法制取氢气。其中，借助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，被觉得是解决全球能源和环境问题的理想渠道之一。

3**）**CO2 还原

化石燃料的燃烧会导致温室效应，减少大方当中二氧化碳的含量是一个亟待解决的问题。借助光催化技术可以在低能耗的条件下把大家大方中的二氧化碳转化为甲烷、甲醇、甲酸等有机物，是具备非常高的应用价值。

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，这类电子-空穴对促进催化剂与周围的氢气和氧气反应，生成具备强氧化能力的氢氧自由基。氢氧自由基可以包围并分解空气中的有害物质，抑制细菌成长，达成空气净化、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。借助蚊子的趋光性，捕蚊器第一用光线吸引蚊子，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，吸引蚊子进入捕获地区，从而达成灭蚊成效；在手术室中，光触媒技术也被用于抗菌目的。在光照条件下，光触媒可以杀死表面的细菌，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，拥有高反应活性、高选择性，简单环保，现在是有机合成范围的研究热门。有机光化学合成可以达成多类型型的反应，这类反应有益于提升产物的产率和纯度，降低副产物产生，减少生产本钱。同时光反应可以构建结构复杂的分子骨架，得到意料之外的产物。

PART3 探索有机光催化：绿色合成与革新应用

下面，结合大家团队的研究范围，来一块认识下有机光催化的内容。

催化反应是合成化学的要紧内容，是创造新物质的主要渠道，而光促进的催化反应，它的特征是以光为能源，通过能量或电子转移达成系列自由基反应。这种反应具备环境友好、反应活性高、条件温和等优点。因此，借助光能达成化学键的高效精确构建，是绿色合成的要紧革新动力。通过此类反应，可以人工合成很多有用的化合物。

比如玫瑰醚和维生素D2的合成，其中光反应是核心步骤。玫瑰醚是一种具备玫瑰花香的香精，刚开始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。因为市场需要量大，化学家们开始挖空心思研究其化学合成办法，以香茅醇为材料合成玫瑰醚。该路线通过光氧化、还原、环化三步制得，产率非常高，是最具生产力的玫瑰醚生产路线。

另外，大家都了解维生素D2有哪些用途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。

除此之外，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。现在，有机光催化范围用的高效催化剂超越50种，包含金属光催化剂和有机小分子催化剂，它们具备不一样的氧化还原电位和激起态能量，适用于不一样的反应。

大家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很简单，只需要一步即可以极高收率获得，而且它具备优秀的光电性质，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，现在借助DPZ光催化平台合成的手性化合物、要紧有机中间体和活性物质重点结构已达60余类，1,000余个，为有机光催化范围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范围，大家相信将来它将在环境、能源、医疗、化工和材料等范围达成变革式进步。而新兴技术的开发和应用将为人类生活带来更多便利。

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