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紫外拉曼光谱:破解催化剂技术瓶颈

导读: 新材料作为高新技术的基础和先导,应用范围非常广泛,是21世纪最重要和最具有发展潜力的领域。而新材料的研制与催化剂的使用是分不开的。

  新材料作为高新技术的基础和先导,应用范围非常广泛,是21世纪最重要和最具有发展潜力的领域。而新材料的研制与催化剂的使用是分不开的。大连化物所凝聚科学技术研究团队十几年的智慧和心血,研究的催化材料紫外拉曼光谱技术,破解了催化材料的若干关键技术难题,为突破国家建设急需、引领未来发展的关键材料和技术提供了重要技术支持。该成果也因此获得了2011年度国家自然科学二等奖。

  催化材料紫外拉曼光谱技术研究的带头人李灿院士告诉记者,作为化学反应中不可替代的催化剂,贵金属在诸多领域发挥着重要的作用。但是稀缺资源的价格都很昂贵,这无疑是横亘在催化剂制造的一道难题。而紫外拉曼光谱技术正是破解这一难题的金钥匙。紫外拉曼光谱是一种无损伤、高灵敏度的测量技术,在物理、化学、生物学、矿物学、材料学、考古学和工业产品质量控制等领域中有着广泛的应用,是研究分子结构和组态、物质成分鉴定、结构分析的有力工具。

  紫外拉曼光谱技术破解了世界催化材料发展瓶颈,解决了催化材料关键科学难题,实现了四大突破。一是利用紫外共振拉曼光谱技术解决了一系列重要分子筛材料中有关骨架金属活性中心的结构鉴定难题。建立了微孔和介孔分子筛骨架过渡金属杂原子活性中心鉴定的表征新方法,不仅可以大幅节约贵金属用量,而且单原子相对均一的催化环境有望实现化学反应的高选择性,减少副产物的出现,从而实现真正的绿色催化。

  二是紫外拉曼光谱研究了金属氧化物催化材料表面物相结构问题,发现金属氧化物的表面与体相常常具有不同相结构,物相形成过程中表面和体相的相变表现不同步。在太阳能光催化材料研究中,发现表面物相结构和光催化活性有直接关联,提出了“表面异相结和异质结增强光催化活性”的概念。

  三是发展了水热催化材料合成中的原位紫外拉曼光谱技术,观察到分子筛合成初期的分子碎片以及模板剂与分子碎片的相互作用形成的微孔结构,提出了分子筛初期形成的重要中间体决定最终分子筛结构的机理。他们的研究发展了表征催化材料的新方法,发现了催化材料合成的重要转化过程和活性中心中间物种,提出了催化材料合成的机理。

  四是获得了具有与均相不对称催化相媲美的多相手性催化剂。该催化剂是一大类化合物——手性化合物的一种,而手性药物则是手性化合物中非常重要的一个分支。手性药物是指具有左旋或右旋对映体化学结构的单一对映体化合物,包括光学纯药品、光学纯农业化学品及其他光学纯产品与中间体。利用“手性”技术,人们可以有效地将药物中不起作用或有毒副作用的成分剔除,生产出具有单一定向结构的纯手性药物,从而让药物成分更纯,在治疗疾病时疗效更快、疗程更短。手性药物的研究目前已成为国际新药研究的新方向之一。在国际制药界,手性技术已被广泛应用到消化系统疾病、心血管疾病、癌症等领域新药研发中。

  李灿院士告诉记者,1998年他们成功研制出我国第一台具有自主知识产权的紫外拉曼光谱仪,解决了国际拉曼光谱领域长期存在的荧光干扰问题,在国际上最早将其应用于催化及材料科学的研究。到2004年研究组研制成功紫外—可见全波段共振拉曼光谱议,使我国在拉曼光谱的催化表征研究走在世界前面。2008年,研究组与卓立汉光仪器公司合作,开始将紫外拉曼光谱仪产业化。2010年完成国家重大装备研制项目“深紫外拉曼光谱仪的研制”,获得世界上第一张激发波长低至177纳米的深紫外拉曼光谱。

  李灿院士骄傲地告诉记者,在过去的10年间,紫外拉曼光谱已经在化学、物理和生命科学等诸多领域显示出巨大的优越性,成为一项重要的分子光谱技术。我国紫外拉曼光谱研究在国际上的领先地位,极大地促进了中国在这个领域的国际合作研究,大化所与国内外十余个研究机构实现技术合作。今后,紫外拉曼光谱仪技术在多家研究机构的推广应用,一定会有力推动我国新能源、节能环保、电动汽车、新材料等七大战略性新兴产业健康快速发展,一定会让更多的新材料、精细化工产业受益。

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