科普时报记者 陈杰

冬日的暖阳，不仅带来温暖，也蕴藏着驱动未来变革的能量。而在人类追求碳中和的今天，如何高效利用太阳能，已成为破解资源与环境危机的关键之一。

目前，太阳能的利用方式主要包括光伏发电、光催化、光热转化三类。上世纪60年代，科学家就发现了光催化现象。数十年来，无数研究者投身其中，但大多数光催化体系效率仍然偏低。

近日，南开大学科研团队在这一领域实现突破。候其东副教授与鞠美庭教授提出一种颠覆性的“光热驱动催化”通用策略，有望带领化学反应，从传统的“加热驱动”迈向崭新的“光热驱动”时代。

相关研究成果，日前发表在国际期刊《德国应用化学》和《ACS催化》上。

化学反应迎来精准供能新模式

如果把化学反应看作一次旅程，催化剂是引擎，溶剂是道路，而热量就如同汽油，为整个过程持续注入动力。

在传统的化学反应过程中，热能来源于外部加热装置。热量依次传递给反应容器、溶剂、催化剂，最终抵达反应分子。这个过程冗长，损耗极大。

光热催化，从根本上改变了这一能量供给逻辑。它不再依赖缓慢的外部传热，而是巧妙设计出一种特殊的催化剂，能将光能直接转换为热能。

“更重要的是，热能可以被精确控制在催化剂表面的活性位点上，实现对反应的‘定点加热’。”候其东说，这好比将过去整个房间用火炉取暖的方式，升级为一束激光对准关键部位加热。热量减少扩散、避免浪费，最大限度用在刀刃上。

为实现这一点，科研团队设计了新颖的“核‑壳”结构催化剂。

其内核具备极强的光吸收与光热转换能力，犹如微型太阳能锅炉，捕捉光照后迅速升温。外壳则兼具催化活性与隔热性能，如同一圈“隔热围栏”，将内核产生的热量牢牢锁定在外壳表面的催化活性位点周围。

这样就形成了一个高温、高效的微反应环境，化学反应在其中得以飞速进行。“催化剂既是能量的收集者，也是转化的推动者，引擎与燃料就此合为一体。”候其东说。

催化反应的低碳通用之路

这种“自带微型太阳能锅炉”的催化剂，在实际应用中展现出令人瞩目的潜力。

在一个将醛转化为醇的反应中，研究人员使用了碳纳米管与锆基配位聚合物构成的复合材料，在光照下表现出优异的催化活性，实现了高效的转移氢化反应。

更具代表性的成果体现在生物质转化领域。研究人员用表面封装磺酸化聚合物的碳纳米管构建光热催化体系。

实验中，他们仅用一个透镜汇聚阳光，照射装有超高浓度果糖溶液的催化系统。短短十分钟之内，果糖便在室外阳光下高效转化为一种高附加值化学品——5‑羟甲基糠醛，产率达到85.2%。

候其东说，相较以往的加热催化方式，这个反应的速率提升了4倍以上。“它不仅速度快、产率高，还极大减少了溶剂用量，整个过程清洁、低碳、能耗极低。”

这意味着，光热驱动催化已经突破氧化还原反应的“栅栏”，为众多重要的工业化学反应指明了一条崭新的绿色化学路径。

这不仅将减少对化石能源的依赖，也将为化工行业乃至整个制造业的绿色低碳转型，提供一种充满想象力的底层技术支撑。（受访者供图）