針對(duì)該綜述文章的主要觀點(diǎn)，以及太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)催化技術(shù)的科研、應(yīng)用現(xiàn)狀及展望，Cell Press特別邀請(qǐng)?jiān)撐恼碌耐ㄓ嵶髡摺本┐髮W(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院/工學(xué)院教授馬丁接受了專(zhuān)訪。

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Cell Press：您在本篇綜述中詳細(xì)闡述了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)催化過(guò)程。您認(rèn)為與傳統(tǒng)熱催化比較，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)催化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在哪些方面？

馬丁教授：與傳統(tǒng)熱催化相比，我認(rèn)為光（熱）催化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：①驅(qū)動(dòng)催化反應(yīng)的能量形式的轉(zhuǎn)變：由傳統(tǒng)的化石能源轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色經(jīng)濟(jì)的太陽(yáng)能，這樣既降低了溫室氣體的排放，節(jié)約了成本，又符合當(dāng)下可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求；②溫和的催化條件：通過(guò)光催化技術(shù)，使得一些反應(yīng)在常溫常壓的條件下就可以進(jìn)行：如水分解、CO2還原、甲烷活化、合成氨反應(yīng)等；③催化反應(yīng)路徑的改變：結(jié)合近幾年的研究成果不難發(fā)現(xiàn)，光照可以降低某些催化體系中限速步驟的能壘，或是改變反應(yīng)中間體在催化劑表面的吸脫附行為，從而改變反應(yīng)選擇性。因此與熱催化相比，催化劑在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)條件下可以表現(xiàn)出較高的活性和理想的選擇性。

Cell Press：近年來(lái)，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)催化技術(shù)方面的國(guó)內(nèi)外科研進(jìn)展如何，取得的主要成果有哪些？

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馬丁教授：自從日本科學(xué)家Honda和Fujishima在1972年發(fā)現(xiàn)TiO2電極可以通過(guò)光電催化將水分解為氫氣和氧氣后，人們探索光催化反應(yīng)的序幕就此拉開(kāi)。近十幾年來(lái)，環(huán)境污染和能源危機(jī)等問(wèn)題的日益加劇，使得光催化相關(guān)的研究領(lǐng)域迅速發(fā)展，并取得了諸多突破性的研究成果。按照光催化劑結(jié)構(gòu)和光催化反應(yīng)的特點(diǎn)，我認(rèn)為近幾年國(guó)內(nèi)外的主要成果分為以下幾類(lèi)：

• 金屬以及金屬碳化物納米粒子的等離子體效應(yīng)在光催化和光熱催化反應(yīng)中的應(yīng)用；

• 功能化的半導(dǎo)體、MOFs、COFs和金屬配合物高效催化CO2還原和水分解；

• 提升電荷分離效率的非貴金屬助催化劑，Z-Scheme復(fù)合型光催化劑的發(fā)展；

• 新型二維光催化劑的發(fā)展，如氮化碳（C3N4）、過(guò)渡金屬碳/硫化物、水滑石（LDH）、鹵氧化鉍（BiOX）、鈣鈦礦氧化物（perovskite oxide）等。

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)催化類(lèi)型

Cell Press：您在文中也提到，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)催化技術(shù)仍面臨很多挑戰(zhàn)，如催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)等。除此之外，還有哪些瓶頸亟待突破？

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馬丁教授：除了文中提到的挑戰(zhàn)外，我認(rèn)為目前太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)光催化反應(yīng)還存在以下三個(gè)瓶頸問(wèn)題需要解決：

1. 效率：一般來(lái)說(shuō)，常溫常壓下光催化反應(yīng)的效率還普遍處于較低水平。比如，在用水做電子供體的CO2還原反應(yīng)和無(wú)犧牲劑參與的光解水同步產(chǎn)氫產(chǎn)氧反應(yīng)中，大多數(shù)光催化劑的活性依舊在μmol/g·h的量級(jí)。因此，效率低是光催化反應(yīng)面臨的主要問(wèn)題，也是限制其工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵；

2. 光（熱）催化條件下的原位表征：隨著近幾年原位電鏡和光譜技術(shù)的發(fā)展，一些催化反應(yīng)可以在原子和分子尺度進(jìn)行觀測(cè)。然而，光催化反應(yīng)過(guò)程中涉及原位表征的研究依舊較少。因此，對(duì)于多功能原位池的設(shè)計(jì)并應(yīng)用于揭示光催化反應(yīng)中的關(guān)鍵問(wèn)題是目前的迫切需求；

3. 穩(wěn)定性：與熱催化相同，光（熱）催化反應(yīng)中也存在著催化劑穩(wěn)定性差的現(xiàn)象。比如活性組分易流失、中毒等，從而造成催化劑失活。因此考察催化劑失活的原因以提高其穩(wěn)定性也是目前的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。

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Cell Press：您認(rèn)為未來(lái)光（熱）催化是否有望全面取代傳統(tǒng)熱催化？

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馬丁教授：與傳統(tǒng)熱催化相比，光熱催化技術(shù)盡管表現(xiàn)出了很多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在很多不足之處。比如說(shuō)：①目前的光熱催化實(shí)驗(yàn)基本都是以氙燈光源的輻照下進(jìn)行的，而室外的太陽(yáng)光存在強(qiáng)度低和輻照不穩(wěn)定兩個(gè)限制因素；②光熱催化需要催化劑自身對(duì)光有較強(qiáng)的吸收，淺色催化劑的量子效率將大打折扣；③光熱催化目前還不能與熱催化一樣精確控制反應(yīng)溫度。因此，我認(rèn)為光熱催化可以在某些反應(yīng)中比熱催化更經(jīng)濟(jì)更有效，但未必能全面取代熱催化。光（熱）催化反應(yīng)會(huì)在熱催化存在短版的過(guò)程中和熱催化互補(bǔ)，未來(lái)一定會(huì)共生共存，甚至在一些過(guò)程中可以形成接力關(guān)系。

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Cell Press：能否介紹下近年來(lái)圍繞光催化，您的團(tuán)隊(duì)取得了哪些科研進(jìn)展？下一步還將聚焦哪些方向？

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馬丁教授：近幾年來(lái)，圍繞光（熱）催化，我的研究小組和合作者主要在光熱催化費(fèi)托合成、光催化甲烷活化及光解水產(chǎn)氫三個(gè)方向展開(kāi)研究工作。

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首先，在光熱催化費(fèi)托合成方面，我們以Fe5C2催化劑實(shí)現(xiàn)了在光照條件下50%的CO轉(zhuǎn)化率，并高選擇性生成了低碳烯烴 (Chem, 2018, 4, 2917）；同時(shí)，與合作者一起基于水滑石前驅(qū)體制備的Ni基及Fe基催化劑分別先后實(shí)現(xiàn)了光熱條件下對(duì)C2+及低碳烯烴的高選擇性生成（Angew. Chem., 2016, 55, 4215, Adv. Mater., 2018, 30, 1803127）。

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其次，針對(duì)甲烷活化困難這一世界難題，我們和合作者構(gòu)建了氧化鈦負(fù)載高度分散的氧化鐵團(tuán)簇催化劑。以過(guò)氧化氫為氧化劑，在光照條件下實(shí)現(xiàn)了甲烷一步活化高選擇性制甲醇的路徑（Nat. Catal., 2018, 1, 889）。

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另外，在光解水產(chǎn)氫的研究中，我們?cè)O(shè)計(jì)合成了石墨烯面內(nèi)摻雜六方相氮化硼（h-BN）疇區(qū)材料，并在光解水產(chǎn)氫中表現(xiàn)出了顯著高于其他方式B、N摻雜石墨烯的產(chǎn)氫活性（Chem. Mater., 2017, 29, 2769）。

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下一步我們?cè)诠猓幔┐呋较驎?huì)聚焦在以下兩個(gè)方面：首先是設(shè)計(jì)更加高效的光（熱）催化雙功能催化劑（具備光熱轉(zhuǎn)化能力和催化性能），進(jìn)而催化轉(zhuǎn)化CO2，CH4這類(lèi)溫室氣體甚至工業(yè)廢氣等，得到具有高附加值的多碳烷烴或烯烴和高值化學(xué)品；其次我們會(huì)嘗試通過(guò)原位表征等手段如來(lái)揭示光（熱）催化的機(jī)理，為下一步的研究提供理論依據(jù)。