中国学科发展战略丨光化学

摘要:本文将以具体的科学问题为依据进行光化学各分支学科的划分,包括有机光化学、能源光化学、环境光化学、光生物学、光致发光和发光分子材料、光致变色材料、太阳能电池和光驱动分子机器八个分支方向

光化学研究的初期,主要关注于处于激发状态的分子的构造及其物理化学属性。经过数百年的发展,现代光化学已经超越了研究小分子激发态的限制,扩展到了大分子、超分子以及凝聚态的系统,特别是在自然光合作用领域。近十多年来,随着人类对于能源、环境和健康等问题的重点关注,现代光化学迅速发展,研究领域的拓展和研究系统的复杂化和多样化,研究的深入程度不断提高,成为了自然科学领域的前沿研究方向


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鉴于其与多学科(如生命科学、环境科学、物理学等领域)广泛交叉的特点,下文将以具体的科学问题为依据进行光化学各分支学科的划分,包括有机光化学、能源光化学、环境光化学、光生物学、光致发光和发光分子材料、光致变色材料、太阳能电池和光驱动分子机器八个分支方向,现将各分支学科情况简要总结如下。


有机光化学是研究处于电子激发态的有机分子的物理和化学性质的学科领域。书中重点介绍了近十年来有机光化学领域的重要进展,包括有机生色团光化学反应、光敏化反应和可见光氧化还原催化反应,充分展示了有机光化学近年来的重大发展趋势,即研究重点已从生色团的光化学反应转移到可见光氧化还原催化反应上来,尤其是利用可见光氧化还原催化反应实现惰性化学键的活化和官能化。为了进一步推动有机光化学的持续发展,建议未来更加注重如下几个方面的探索:①发展高立体选择性光化学反应新策略;②发展廉价、高效、稳定、可重复利用的光催化剂和光敏剂;③探索有机光化学反应的工业应用;④利用有机光化学的方法和技术解决能源、环境、生命健康等领域的瓶颈问题;⑤利用相关领域的新方法和技术助力有机光化学研究。


能源光化学是研究将太阳能转化存储为化学能的学科,是能源领域世界性的重大科学难题,兼具重要的科学意义和应用背景。内容主要包括基于半导体材料的能源光催化和光电催化两个方向。其共性核心科学问题包括三个方面:如何实现太阳能的高效吸收、光生电荷的高效分离、传输和高效的表面催化反应过程。该领域研究自1972 年兴起,虽经历较长的停滞阶段,但自2001 年以来随着材料、化学、物理、生物、工程等学科的发展取得了许多重要进展。半导体材料的发展经历了从紫外响应到可见光响应及材料吸光范围不断拓宽的阶段;半导体光生电荷分离研究不断取得进展,发展了基于异相结、异质结、晶面的电荷分离策略;基于表面催化反应提出了双助催化剂策略。此外,研究也拓展到理论模拟、超快光谱表征和原位成像技术,对催化的微观反应机理认识逐步深入。现阶段该领域存在的主要问题是太阳能转化效率远低于实际应用的需求。因此,建议未来主要从以下几个方面加强研究:①发展高效光(电)催化材料设计理论、方法,提出指导材料设计、开发的物理参数及模型;②基于材料基因组科学发展具有优异光电特性的宽光谱捕光材料;③发展新型、高效光生电荷分离策略;④发展原位时空分辨的现代光谱表征技术;⑤注重光(电)催化学科与其他学科的交叉融合研究。


环境光化学是研究利用光能进行环境污染物治理的学科。环境问题是目前全人类普遍面临的重大难题。在能源结构难以发生根本性变化的今天,探索和开发高效、清洁的环境污染物治理方法,已经成为治理环境污染的重中之重。污染物治理涉及化学、物理、生物等多个学科,该领域的发展既需要相关学科的基础研究为背景,在发展的同时也会更进一步促进有关学科的进步。本书将从解决空气污染、水污染和微生物污染等问题的光化学净化入手,介绍研究现状,直面科学问题,进而提出学科发展建议。与能源光化学相似,环境光化学污染物治理也依赖于半导体光催化剂和具有强烈氧化还原能力的光生载流子。一系列的氧化还原反应使污染物分子、微生物发生结构破坏和降解,起到净化作用。经过近几十年的发展,可用于光化学污染物净化的光催化材料大大丰富,从最初的二氧化钛、氧化锌等无机金属氧化物到类石墨烯相氮化碳等非金属材料,再到全有机的苝酰亚胺超分子材料等。掺杂、复合、晶面调控等一系列方法也被报道用于光催化性能的提高。同时,材料的光谱利用效率也由最初的紫外光响应,向可见光、红外光拓展,甚至扩展到全光谱响应。但是,目前的种种进步和发展距离实际广泛应用仍然还有一定距离。因此,未来的研究还需要更加深入,进一步探明光化学环境净化的普遍科学规律,进一步开发新型光化学环境净化材料,进一步提高光催化材料净化性能,进一步拓展光催化材料光谱响应范围,进一步促进学科的交叉融合。


光生物学是研究生命物质与电磁波(包括近紫外线、可见光、近红外线波长范围)相互作用的一个领域。光合作用等生物系统中的许多过程需要太阳光进行驱动、调节以及信息传递(如生物荧光、视觉等),使得光生物学成为生物学、化学、物理学研究中的一个重要研究领域。光生物学涉及对太阳能的利用。自然界植物对太阳光的利用一直是生命科学领域的重大基础科学问题,书中主要对植物光生物学相关的研究进行介绍,主要包括植物光合作用、植物对光的感知、植物对光能利用等研究方向。书中对当前国内外研究现状进行了总结,综述该领域研究近30 年来取得的诸多突破性进展。针对目前该领域的研究现状及国家目标农业、能源和环境的战略需求,建议加强以下几个方面的研究部署:①光合膜蛋白复合体的结构与功能;②光合作用水裂解的机理;③光合膜蛋白的组装及分子调控;④植物光信号的感知与应答;⑤植物光能利用与应用;⑥光合作用的人工模拟。


光致发光和发光分子材料主要介绍了外界光源激发发光体引起的发光现象及其研究的学科。光致发光材料不仅在传统的照明、装饰和显示等领域发挥重要的作用,还在诸多新兴领域占据了不可或缺的地位,如荧光标记、分子探针、生物成像、激光和新一代照明与显示等,在工农业生产、环境、健康、国防等关系到国计民生的重要行业和领域发挥着重要作用。内容涉及稀土配合物发光材料、过渡金属配合物发光材料、聚集诱导(AIE)发光材料、半导体发光材料、量子点发光材料、长余辉发光材料、LED 用荧光粉和有机-无机杂化发光材料八个方向。其共性核心科学问题是如何深入揭示发光机理,优化光致发光材料的发光性质和综合性能。目前,对于不同类型的光致发光材料的研究处于不同的发展阶段:稀土配合物发光材料、过渡金属配合物发光材料和有机-无机杂化发光材料的基础研究已经达到国际前沿水平;量子点发光材料和LED 用荧光粉的研究已经进入应用攻关阶段;亟待开发新型半导体发光材料和长余辉发光材料以开拓新的应用领域;聚集诱导(AIE)发光材料的基础和应用研究尚处于起步阶段。总体来说,我国在光致发光领域虽然取得了一定的成就,但基础研究还有深入的空间,应用方面还有进一步开发的潜能。现阶段该领域存在的主要问题是:对于大多数光致发光材料,发光的机理虽然有普遍的认识,但是深度明显不够;材料的综合性能还不能满足市场需求;不具备大规模制备工艺。因此,建议未来主要从以下几个方面加强研究:①注重基础理论研究,深层次解读各类光致发光材料的发光机理,建立完善并成熟的理论以指导材料的设计和开发;②开发新型高效光致发光材料,开拓新应用领域;③发展规模化制备策略,降低成本;④以实际应用为导向,设计和优化材料的结构与性能;⑤推动实验室与企业合作,共同探索光致发光材料的技术转移和产业化模式。


光致变色材料涉及一类光可逆性能调控的功能性光化学材料的研究。在特定光激发下进行分子异构,并能够在另一束光或其他外界响应(如热)激发下重新回到初始状态的分子材料均属于光致变色材料范畴。在20 世纪50 年代提出“光致变色”概念之后的60 年间,光致变色材料经历了飞速的发展,从传统的染料工业领域逐步拓展到前沿光化学研究和新功能材料应用研究领域。本书分别从光致变色分子与性质、光致变色材料在各领域的应用和研究进展两个方面来介绍国内外光致变色的研究现状,提出未来光致变色材料的研究需要实现“广度”和“深度”的协同发展。广度,即探索光致变色材料在新领域的应用(如生命科学研究),更大限度地发挥光致变色分子的潜力,开发出更多适合用于日常生活及提升社会生产力的新材料;深度,则是针对在各领域应用研究中存在的问题,进一步研究材料光化学机理、提升现有体系的性能及拓展新的光致变色分子体系。在探究光致变色分子机理、实现性能和体系突破方面,力争做到“理论联系实际”,借助理论和计算化学的快速发展,建立更准确、通用的计算方法和模型,对光致变色分子设计与性能提供更准确、高效的预判。


太阳能电池涉及通过光生伏打效应直接把光能转化为电能装置的研究。采用太阳能电池将太阳能转化为电能是解决能源问题的重要途径。虽然硅基太阳能电池已经实现规模化商业应用,但受材料、工艺及器件结构的限制,其效率进一步提升和成本降低空间有限。开发新型太阳能电池及新型光伏材料具有重要的科学和应用意义,是当前的热点研究领域。书中介绍了染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和薄膜硅太阳能电池四个方面,详细阐述了这些领域的研究内容、发展现状、存在的问题和未来发展方向,并提出了学科发展建议。其中,染料敏化太阳能电池目前的最高认证效率已经达到11.9%,但其效率近年来没有得到突破,遇到了发展瓶颈。建议加强该类电池工作机理的基础研究,重点发展柔性器件及其制备工艺,加大对新电池材料和新器件结构的创新性研究。有机太阳能电池目前的光电转化效率已经超过12%,到了向大面积器件制备和实际应用发展的阶段。我国在这方面的研究处于国际先进水平。今后要发展新型光伏分子材料以进一步提高电池性能,进行大面积柔性透明电池制备工艺研究,阐明影响器件稳定性的机理以进一步提高器件稳定性,并深入开展器件物理方面的研究。钙钛矿太阳能电池是光伏领域的研究热点,近年来其效率实现了跨越式发展,认证效率已经达到22.1%,奠定了其可能进行商业化发展的基础。为了实现该类电池的大规模应用,必须解决其大面积制备及模块化的问题、电池的稳定性问题及使用铅带来的毒性问题。因此今后工作要加强电池结构、薄膜制备工艺、电池退化机制和替代铅的钙钛矿光伏材料研究。薄膜硅太阳能电池全球生产线产能达到10 GW 以上,但其效率远低于晶硅电池,无法与其展开差异化竞争。因此书中建议应重点突破晶硅电池不能应用的柔性电池领域,扩展柔性电池在军事及特殊民用领域的用途。同时需要加强硅基薄膜电池在实验室的基础研究,通过多结电池技术和提高衬底陷光等措施使其效率达到16%以上。此外,该领域所需关键生产设备和技术被国外垄断,我国的生产线几乎全部需要进口,因此急需实现关键设备国产化,以降低成本,提高市场竞争力。


光驱动分子机器涉及如何利用光能来驱动由分子构成的微观纳米机器使之产生机械运动的研究。2016 年,诺贝尔化学奖授予从事“分子机器”研究的三位科学家,这种将诺贝尔化学奖授予一个还处于基础研究阶段的研究领域的情况极其少见,说明了分子机器具有一定潜在的应用前景。书中内容主要包括光驱动互锁分子机器和光驱动分子马达两部分。核心问题主要涉及驱动原理、运动方式及所实现的功能。到目前为止,光驱动分子机器已经在纳米机械、药物可控释放,特别是分子器件领域显示出重大的应用前景。但是,要使其走入实际应用,还需要解决如何提高光化学反应转化效率、防止分子机器在固态条件下运转受阻、分子机器之间如何通信、分子机器之间如何协调一致运转等问题。因此建议未来从以下几个方面加强研究:①构建定向运动的光驱动分子机器,实现机械能输出;②与电、热、磁等领域进行交叉,发展新型功能分子机器;③将光驱动分子机器进行材料化,对微观运动进行放大,进而实现特定功能。


综上所述,光化学各分支学科具有鲜明的特色,但各分支学科同时存在共性的科学和技术问题。为了促进光化学学科从基础科学研究到应用研究的协调发展,建议未来主要从以下几个方面进行光化学学科的布局:

 

(1)加强光化学基础理论研究,建立完善的理论体系,为高性能光化学材料的设计和光化学反应过程提供坚实的理论基础

 

(2)在基础理论指导下,注重光化学核心材料的源头创新研究,发展具有自主知识产权的关键材料体系及其规模化制备技术,并制定相应的规范和标准。

 

(3)通过市场导向和与工业领域的互动,加强产学研结合,鼓励企业参与研发工作,将实验室研究成果转化为可实质贡献于国家能源、环境、健康和国防的产品和技术,从而真正惠及国家和人民。


(4)为促进光化学学科的发展,应将其纳入国家长期发展规划,增加研发投入;建立实际可行的学科交叉研究合作机制,推动学科协同发展;此外,应注重光化学学科人才的培养和人才队伍结构的优化,提高基础科研和工程技术研究骨干的培养。


本文摘编自中国科学院编《中国学科发展战略·光化学》摘要部分,内容略有删节改动


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