光催化化学？从树叶里找灵感！

植物的叶片是自然界中利用光能的模范，它能够有效的利用太阳光来固定空气中的二氧化碳，并为植物的生长提供有机物质。科学家们一直期望能像叶片一样利用可见光进行化学物质的转换，而可见光催化的发现为这一梦想带来了希望。不过，传统的光反应往往简单的将反应装置至于可见光下，催化剂的高消光系数及光遵循朗伯比尔定律在溶液中的衰减，都使得光的利用效率大打折扣。微流控光反应器能够有效的提高光利用率，缩短反应时间，可在一定程度上解决这一问题，但其在可见光催化领域较少。

受叶片中反应活性中心附近的生色团的启发，来自荷兰埃因霍温理工大学的Michael G. Debije和Timothy Noël等人巧妙的将太阳能荧光聚光器与微流控光催化反应器相结合，在Angew. Chem. Int. Ed.报道了一种可高效利用全波段太阳光的连续流动光反应装置。太阳能荧光聚光器（luminescent solar concentrator, LSC）是将生色团（如荧光染料或量子点）分散在玻璃或者聚合物的导光板中，用以捕获太阳光后再将其转变为荧光光子，并导向装置边缘的一种光学器件。为了尽可能的利用紫外光区的能量，研究者们选择的LSC能够吸收低波长区的光，且其发射光恰好处于光催化剂所吸收的波长范围。比如在本文中，研究者们选择了LR305（一种荧光染料）作为LSC中的发光团，选择了甲基蓝作为光催化装置中的催化剂。甲基蓝的吸收峰在654 nm，在550 nm以下的紫外与可见光区基本没有吸收；而LR305的吸收区在600 nm以下的紫外与可见光区，且其发射的荧光恰好处在甲基蓝的吸收区。

图1. A.仿叶片微流控光催化装置的工作原理；B和C.甲基蓝（MB）与LR305荧光染料的吸收光谱在太阳光谱中的位置；D. 9,10-二苯基蒽在单线态氧下的环化加成反应。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

研究者们通过实验证实了在上述装置中甲基蓝能够有效的吸收LSC的发射光。随后，他们进一步展示了这一装置的光催化效率。实验结果表明，在蓝色LED下，甲基蓝自身的光吸收被限制，此刻通过LSC吸收并转化的光能够有效驱动催化反应的进行；半遮蔽实验则表明LSC中形成的光能被有效传导至边缘处并被甲基蓝吸收用于催化反应；随着LSC中LR305掺杂量的提高，装置对光的利用率会显著提升，在最高的转换效率下（掺杂量为200 ppm），达到近似的转化率所需的光能仅为没有LSC情况下的1/10。最终结果表明，在相同的模拟太阳光下，带有LSC的微流控光催化装置能够将反应转化率提升超过4倍。

图2. A.蓝光激发下的反应效率随LSC中荧光染料掺杂含量的变化；B.将反应器一半用黑色的板遮蔽，这一实验用以表明LSC中的光的传输能力；C.正常情况下的反应效率。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

当然，研究者们最终还是要将上述装置应用在自然光下，相同的反应时间后（10 s的停留时间以及30 min的反应时间），LSC复合的反应装置最终转化率达96%，而对照组则为57%。

总之，这项研究为新型的光化学反应器的设计打开了一扇大门：将光转化器件与光催化装置的结合能够更加有效的利用光能，这一思路有望应用于其他利用光能的器件。

—— 评论 ——

优秀的论文往往有两个方面值得阅读和学习，一是论文本身的新颖发现，一是论文的设计思路与构建方式。第一，这篇论文并不是一个新的发现，而是一份优秀的设计。它很好的抓住了光催化中对于光能利用的问题，当大部分研究者试图去开发具有更广吸收谱带的催化剂的时候，作者另辟蹊径，通过将其他波段的光能转化来匹配催化剂的吸收波段，从而使传统简单的催化剂也能够利用到其他波长的光能。第二，论文的作者并没有试图去把过程进行无限的推广，而是仅针对一个简单的标准反应，有的放矢的探讨了装置本身的设计及证实其可行性。小编浅见，欢迎各位行家里手发表自己的见解。

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http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201611101/abstract

A Leaf-Inspired Luminescent Solar Concentrator for Energy-Efficient Continuous-Flow Photochemistry

Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201611101

（本文由YHC供稿）

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