光催化的十年发展史，值得收藏

2022-04-28 17:50:02, 默克分析化学默克生命科学

提到光催化反应器，首先进入你眼帘的是这样的？

或者这样的？

对于光催化反应你是不是经常会遇到以下疑惑：

为什么文献里完美的那些光催化反应很难重现？

装置怎么搭都不满意，光源利用率总是很低？

为什么可重复性和稳定性很低？

如果你还停留在这些老旧笨重的印象上？如果你有以上困惑，那赶紧收藏这篇文章，不仅为您梳理了光催化反应器的发展史，还有你想要的光催化文献和资料！！！

光催化是藤岛昭教授在1967年的一次试验中，对放入水中的氧化钛单晶进行紫外灯照射，结果发现水被分解成了氧和氢而发现的。通俗意义上讲触媒就是催化剂的意思，光触媒顾名思义就是光催化剂。催化剂是加速化学反应的化学物质，其本身并不参与反应。光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称。我们知道，在可见光催化中光催化剂是一种能捕获光能的分子，并将可见光转化为化学能，利用这一技术促进了许多像光催化水的分解，CO₂还原以及太阳能收集等重要研究的发展。

在过去的10年里，随着科技的不断发展，将可见光催化应用于合成有机化学已经成为了一个非常重要的研究领域。将光催化与其他例如过渡金属催化有机小分子催化相结合，极大的促进了片段偶联(fragment-coupling) 反应在药物化学和化工生产的发展。但问题是，无论是用不同反应装置进行同一反应，还是用同一反应装置进行多次单一反应，情况往往错综复杂。而且文献报道的光催化实验过程也是千差万别，很大程度上限制和阻碍了光催化作为通用型实验方法的推广。为了解决这个问题，在光催化研究领域的领军人物MacMillan课题组首先设计了一台光催化反应器，用于光催化反应中光能的捕获和催化剂的激发。

图1 集成光催化反应器

LED光催化反应器简介

为了计算被传输到反应物的总的辐射能，研究者选择了一种简单的基于牛顿冷却定律数学模型的分析方法，通过使用量热计来采集测试期间产生的温度曲线。通过使用这个模型，他们构建并测试了相比常用的蓝色LED灯带能捕获更多光能的LED装置。在这个光能捕获筛选实验过程中，他们将反应瓶悬置在4个3.5见方450 nm 的XTE LEDs灯(Cree, Inc., Durham, NC)上方6 mm。选择的这些LEDs灯效率＞35%，输出功率＞1.1W，不同包装大小可提供不同波长的选择。值得注意的是，虽然缩短LED灯组与反应瓶的距离可以加强光能的捕获，但是该系统存在冷却效率低和反应温度难以控制的问题。作为第二个关键的设计元素，是采用一个管状镜像外壳来确保表面反射的光能重新反射到反应瓶上。具体说，这个反射腔室保证了反应瓶表面能360^o暴露于光照下（与只能180^o的定向LED灯形成鲜明对比）。的确，量热计的测量结果显示，与标准的LED Lessil 灯带装置相比，XTE系统入射辐射功率增加了10倍。结合这些改进，采用3D打印技术这套新的光传输装置被很快应用到光催化反应器的设计和制造中。

图2 新设计的LED光催化反应器和它的剖面图

集成的光催化反应器简介

为了拓展可见光催化领域的应用，MacMillan课题组设计出了一台集成的光催化反应器。这台集成的光催化反应器用来提高反应体系的曝光量，有效激发体系中的光催化剂，这样就可以大大提高各个反应的反应速率。确实，当使用药物合成中经常使用的8个光催化反应来评估这台仪器，也确证了这台集成光催化反应器可以大大提高反应效率。与此同时，这台仪器也经过了多个研究部门的使用，一致认为可以成为一台操作简单、重复性好的标准化的光催化反应器。

图3 集成的光催化反应器和对应的可调节部件

紧接着，MacMillan课题组用这台集成的光催化反应器对8个在药物合成中最常用的光催化反应进行了对比实验，这台集成的光催化反应器无论是在反应速率还是反应收率都要优于原文献报道使用的方法。同时，MacMillan课题组还将这台集成的光催化反应器提供给了当地大型制药公司的10个不同的药化研究团队，让他们在实际合成中使用，同样得到了非常正面的反馈。