近日，南开大学环境科学与工程/生物质资源化利用国家地方联合工程研究中心候其东副教授、鞠美庭教授在光热转化领域取得最新研究进展。团队通过在光热材料表面构筑低导热率的催化活性层，实现了光热能量在催化剂/溶剂界面的高效富集，证明了在无外部加热条件下，太阳能可以作为唯一能量来源高效驱动液相催化反应。本研究提出了从能量最大限度利用角度改进优化催化过程的新视角，为液相催化体系从“外部传导加热驱动”转型为“光热驱动”提供了一种通用范式。相关成果发表在国际顶级期刊《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。
液相催化反应过程在现代化学工业中占据举足轻重的地位。从能量利用方式来看，绝大多数液相反应是由外部热源驱动的，很高比重的能量被用以加热溶剂或耗散到环境中，导致反应过程能耗高/效率低。光热效应为实现热催化反应的动能切换——即将反应驱动力从热能转变为太阳能提供了一条新途径。然而，将光热材料直接应用于液相反应体系时，材料吸收太阳能产生的热量会迅速传导给溶剂和周围环境，造成热能的大量浪费，反应效率甚至不如传统热催化过程。
针对上述挑战，研究团队提出了通过局域光热效应大幅提升液相催化体系反应效率的通用策略。研究者采用碳纳米管(CNT)作为光热转化中心，在其表面构筑低导热率的Zr基配位聚合物(ZrCP)作为催化活性层，形成兼具光吸收能力、光热转换性能和热催化活性的新型催化剂(ZrCP/CNT)，催化剂/溶剂界面能够高效富集光热能量，在没有外部传导加热且仅用光照条件下即可实现糠醛高效转移氢化生成糠醇，单位质量催化剂上产物生成速率(57.1 mmol g⁻¹ h⁻¹)高于已知的光催化体系和热催化体系。
图2 不同材料对转移氢化的催化性能
本工作得到了国家自然科学基金、天津市自然科学基金和南开大学科研启动项目的支持，第一作者为环境科学与工程学院2023级硕士研究生王成旭，候其东副教授和鞠美庭教授为共同通讯作者。
