紫外拉曼光譜：破解催化劑技術(shù)瓶頸

文/陶 加

新材料作為高新技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，應(yīng)用范圍非常廣泛，是21世紀(jì)最重要和最具有發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。而新材料的研制與催化劑的使用是分不開的。大連化物所凝聚科學(xué)技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)十幾年的智慧和心血，研究的催化材料紫外拉曼光譜技術(shù)，破解了催化材料的若干關(guān)鍵技術(shù)難題，為突破國家建設(shè)急需、引領(lǐng)未來發(fā)展的關(guān)鍵材料和技術(shù)提供了重要技術(shù)支持。該成果也因此獲得了2011年度國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。

催化材料紫外拉曼光譜技術(shù)研究的帶頭人李燦院士告訴記者，作為化學(xué)反應(yīng)中不可替代的催化劑，貴金屬在諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。但是稀缺資源的價(jià)格都很昂貴，這無疑是橫亙在催化劑制造的一道難題。而紫外拉曼光譜技術(shù)正是破解這一難題的金鑰匙。紫外拉曼光譜是一種無損傷、高靈敏度的測量技術(shù)，在物理、化學(xué)、生物學(xué)、礦物學(xué)、材料學(xué)、考古學(xué)和工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量控制等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，是研究分子結(jié)構(gòu)和組態(tài)、物質(zhì)成分鑒定、結(jié)構(gòu)分析的有力工具。

紫外拉曼光譜技術(shù)破解了世界催化材料發(fā)展瓶頸，解決了催化材料關(guān)鍵科學(xué)難題，實(shí)現(xiàn)了四大突破。

一是利用紫外共振拉曼光譜技術(shù)解決了一系列重要分子篩材料中有關(guān)骨架金屬活性中心的結(jié)構(gòu)鑒定難題。建立了微孔和介孔分子篩骨架過渡金屬雜原子活性中心鑒定的表征新方法，不僅可以大幅節(jié)約貴金屬用量，而且單原子相對均一的催化環(huán)境有望實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的高選擇性，減少副產(chǎn)物的出現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)真正的綠色催化。

二是紫外拉曼光譜研究了金屬氧化物催化材料表面物相結(jié)構(gòu)問題，發(fā)現(xiàn)金屬氧化物的表面與體相常常具有不同相結(jié)構(gòu)，物相形成過程中表面和體相的相變表現(xiàn)不同步。在太陽能光催化材料研究中，發(fā)現(xiàn)表面物相結(jié)構(gòu)和光催化活性有直接關(guān)聯(lián)，提出了“表面異相結(jié)和異質(zhì)結(jié)增強(qiáng)光催化活性”的概念。

三是發(fā)展了水熱催化材料合成中的原位紫外拉曼光譜技術(shù)，觀察到分子篩合成初期的分子碎片以及模板劑與分子碎片的相互作用形成的微孔結(jié)構(gòu)，提出了分子篩初期形成的重要中間體決定最終分子篩結(jié)構(gòu)的機(jī)理。他們的研究發(fā)展了表征催化材料的新方法，發(fā)現(xiàn)了催化材料合成的重要轉(zhuǎn)化過程和活性中心中間物種，提出了催化材料合成的機(jī)理。

四是獲得了具有與均相不對稱催化相媲美的多相手性催化劑。該催化劑是一大類化合物——手性化合物的一種，而手性藥物則是手性化合物中非常重要的一個(gè)分支。手性藥物是指具有左旋或右旋對映體化學(xué)結(jié)構(gòu)的單一對映體化合物，包括光學(xué)純藥品、光學(xué)純農(nóng)業(yè)化學(xué)品及其他光學(xué)純產(chǎn)品與中間體。利用“手性”技術(shù)，人們可以有效地將藥物中不起作用或有毒副作用的成分剔除，生產(chǎn)出具有單一定向結(jié)構(gòu)的純手性藥物，從而讓藥物成分更純，在治療疾病時(shí)療效更快、療程更短。手性藥物的研究目前已成為國際新藥研究的新方向之一。在國際制藥界，手性技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到消化系統(tǒng)疾病、心血管疾病、癌癥等領(lǐng)域新藥研發(fā)中。

李燦院士告訴記者，1998年他們成功研制出我國第一臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的紫外拉曼光譜儀，解決了國際拉曼光譜領(lǐng)域長期存在的熒光干擾問題，在國際上最早將其應(yīng)用于催化及材料科學(xué)的研究。到2004年研究組研制成功紫外—可見全波段共振拉曼光譜議，使我國在拉曼光譜的催化表征研究走在世界前面。2008年，研究組與卓立漢光儀器公司合作，開始將紫外拉曼光譜儀產(chǎn)業(yè)化。2010年完成國家重大裝備研制項(xiàng)目“深紫外拉曼光譜儀的研制”，獲得世界上第一張激發(fā)波長低至177納米的深紫外拉曼光譜。

李燦院士驕傲地告訴記者，在過去的10年間，紫外拉曼光譜已經(jīng)在化學(xué)、物理和生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域顯示出巨大的優(yōu)越性，成為一項(xiàng)重要的分子光譜技術(shù)。我國紫外拉曼光譜研究在國際上的領(lǐng)先地位，極大地促進(jìn)了中國在這個(gè)領(lǐng)域的國際合作研究，大化所與國內(nèi)外十余個(gè)研究機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)技術(shù)合作。今后，紫外拉曼光譜儀技術(shù)在多家研究機(jī)構(gòu)的推廣應(yīng)用，一定會(huì)有力推動(dòng)我國新能源、節(jié)能環(huán)保、電動(dòng)汽車、新材料等七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展，一定會(huì)讓更多的新材料、精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)受益。