光化学：开启绿色未来的神奇钥匙

一、光化学的定义与原理

光化学是研究光与物质相互作用所引起的永久性化学效应的化学分支学科。物质在可见光或紫外线的照射下，分子吸收光子使电子激发，由基态提升到激发态，从而引发化学反应。

光化学反应可根据沿着反应坐标所经历的势能面变化，分为绝对热的或非热的类型。在绝热的光化学反应中，反应物与产物以至过渡态必须相关，产物处于激发态，可借助荧光方法或光化学行为检测；在非绝热型反应中，受光激发后的分子体系会从能量高的势能面滑到低位，再经过无辐射跃迁回到基态后形成基态分子。

光化学反应过程可分为初级过程和次级过程。初级过程是分子吸收光子使电子激发，激发态分子可能发生解离或与相邻分子反应，也可能过渡到新的激发态，如氧分子光解生成两个氧原子就是初级过程。其后发生的任何过程均为次级过程，例如氧原子和氧分子结合为臭氧的反应。

分子处于激发态时，电子激发可引起分子中价键结合方式改变，使得激发态分子的几何构型、酸度、颜色、反应活性或反应机理与基态时有很大差别。光化学反应比热化学反应更加丰富多样，已广泛用于合成化学，为那些热化学反应缺乏选择性或反应物可能被破坏的体系提供了最佳手段。同时，大气污染过程也包含着极其复杂的光化学过程。

二、光化学的研究进展

（一）前沿科研成果

近年来，各高校及科研团队在光化学合成领域取得了诸多新进展。例如，曲阜师大文江伟副教授团队在 H - 键 - S - EDA 光化学领域取得突破性进展，相关研究成果发表在国际顶级期刊《德国应用化学》上。他们开发了光学活性 H - 键 - S - EDA 复合物模型，将其应用在光诱导下羰基活化烯烃的氢硫化和羟硫化，研究发现溶剂化效应是控制位点选择性的关键。

华中科技大学吴雪松教授课题组在《Nature Communications》在线刊发了最新研究成果，他们以醇与二硫化碳反应生成的黄原酸盐作为活化官能团，在可见光氧化还原催化的条件下，将各种伯、仲、叔醇脱氧转化为相应的烷基自由基，并实现与缺电子烯烃的烷基化反应。

安徽大学宣俊教授团队在光化学合成领域也成果斐然。他们与华中师范大学肖文精教授团队合作，利用亚硝基芳基化合物作为自由基受体，实现了可见光促进的 2H - 氮杂环丙烯开环官能化反应，为 1,2,4 - 噁二唑化合物的光化学合成提供了绿色高效途径。此外，该团队还在英国皇家化学学会的旗舰期刊《化学社会评论》上发表综述文章，对六大类三元环状化合物的光诱导开环官能化反应做了全面分析总结。

云南大学夏成峰研究员课题组在英国皇家化学会国际化学领域权威期刊 Chemical Science 在线发表了烯酚光化学 Heck 芳基化的研究成果。该团队发现无色的烯酚溶液在碱性条件下原位生成橙黄色的酚负离子溶液，在可见光照射下具有超强的还原能力，能直接还原未经活化的芳基卤化物而引发自由基，实现烯酚的光化学 Heck 芳基化。

（二）星际空间研究新突破

在星际空间大分子形成过程和光化学演化的研究方面也取得了重大成果。中国科学技术大学物理学院天文学系特任研究员甄军锋，通过设计搭建新颖的实验仪器平台，模拟星际空间中的化学和物理条件，对星际空间大分子（多环芳烃化合物，富勒烯和大分子团簇）的形成过程和演化机理开展了研究。

甄军锋团队提出了大分子团簇在星际介质中的形成与演化机制猜想，并通过实验与理论计算进行了验证。他们使用基于四级杆离子过滤器、球形离子阱和反射式时间飞行质谱搭建的实验仪器平台以及配套的大分子离子团簇的产生装置和一套激光光源系统，实验室模拟了在气相条件下大质量 PAHs 分子团簇的形成与光化学演化过程。研究成果分别发表在天文学国际杂志上。

此外，在发现富勒烯（C60）并授予诺贝尔奖近 15 年之后的 2010 年，在 NGC7023 星云中首次发现了富勒烯（C60）分子，富勒烯正离子（C60+）也于 2015 年被确定为弥散星际谱带的载体。甄军锋团队对富勒烯 / 多环芳香烃化合物分子团簇的形成过程和演化机理开展研究并取得新进展，其成果发表在国际著名的天文学期刊上。这些研究为理解和构建星际大分子以及星际尘埃在星际空间中的形成过程和演化框架给出了实验和理论性指导。

三、光化学的应用领域

（一）环境治理

光化学反应仪在环境污染治理方面发挥着重要作用。水体和大气中的污染物通常是有机物、重金属等有害物质，对环境和人类健康造成严重威胁。光化学反应仪可以用于研究光催化材料对这些污染物的降解过程，通过光催化作用将有害物质转化为无害的物质，从而净化水体和大气，改善环境质量。例如，在水处理中，光化学反应仪可利用特定波长的光激发催化剂表面的电子，使其处于激发态，促进化学反应的进行，将污水中的有机物质分解为无害物质，实现废水的净化。同时，在大气净化中，光化学反应仪也能通过光能激发催化剂表面的电子，将空气中的有害物质如甲醛、苯等分解为无害物质，提高空气质量。

（二）化工领域

光化学反应器在化工领域的应用广泛。在有机合成方面，光化学反应器利用光能激发催化剂表面的电子，促进有机合成反应的进行，可合成各种有机化合物，如醇、醛、酮等。在污水处理领域，通过光能激发催化剂表面的电子，将污水中的有机物质分解为无害物质，实现废水的净化。在空气净化领域，光化学反应器将空气中的有害物质分解为无害物质。在医药制造领域，光化学反应器通过光能激发催化剂表面的电子，促进药物分子的合成，例如合成各种抗癌药物、抗生素等。在能源转化领域，光化学反应器将太阳能转化为化学能或电能，为可再生能源的发展提供新的途径。

（三）其他领域应用

在能源转化领域，光化学反应是一种能够转化光能为化学能的过程，为太阳能的利用提供了新的途径。通过研究光催化剂和光反应体系，可开发有效的光催化材料，用于光解水产生氢气、光催化 CO2 还原制备燃料等新能源领域，推动可再生能源的发展。在医药制造领域，光化学反应仪在活性药物成分的合成、靶向药物的合成、抗体药物的合成以及复杂天然产物的合成中发挥着关键作用。例如，许多活性药物成分对温度和压力敏感，传统的合成方法难以实现高效、环保的制备，而光化学反应仪能够利用光能引发温和条件下的反应，提高反应的选择性和产率。

佟振合院士讲解了光化学在若干领域中的应用，包括在合成化学、能源化学、生命科学、信息科学、环境科学、人口与健康、国防安全等领域。多年来，佟振合院士从事超分子体系中的光诱导能量传递、电子转移和化学转换的研究，在微反应器控制的光化学反应的选择性、超分子体系中的电子转移和能量传递、光催化分解水制氢、光催化活化惰性化学键等方面进行了系统研究，取得一系列创新性成果。

四、光化学的未来展望

光化学作为一门充满潜力的学科，在推动绿色产业发展和实现 “双碳” 目标方面具有巨大的潜力。

在能源领域，光化学制氢技术有望成为未来清洁能源的重要来源。据统计，太阳每秒向地球辐射的能量约为 1.73×10¹⁷J，相当于燃烧 800 万吨煤，超过地球一天所需的能源。光化学分解水方法制氢以零排放等优势成为 “双碳之光”，承载着人类的希望。目前，光伏电催化制氢和光催化制氢方法研究正如火如荼地进行中。未来，随着技术的不断进步，光化学制氢的效率将不断提高，成本将不断降低，有望实现大规模商业化应用，为全球能源转型提供有力支撑。

在环境治理方面，光化学技术也将发挥越来越重要的作用。例如，利用光催化技术可以有效降解水体和大气中的污染物，净化环境。同时，光化学技术还可以用于治理蓝藻水华等环境问题。华中师范大学化学学院冯玲玲教授带领团队研制出的生态防控蓝藻水华的生物酶产品及技术，已经在武汉沙湖、墨水湖等多个水域进行了示范应用，取得了良好效果。未来，光化学技术在环境治理领域的应用将不断拓展，为保护生态环境做出更大贡献。

在化工、医药等领域，光化学技术也将推动产业升级与绿色转型。杭州布瑞利斯化工专注于光化学产业化，提供光化学领域的科研级到工业级装备、工艺包等全方位服务。光化学技术可以在常温常压条件下实现化学键的断裂和构建，具有低能耗、低污染、高安全性等特点和优势。未来，光化学技术将在化工、医药、香料、材料等众多行业得到更广泛的应用，成为替代和革新传统工艺的生产方式。

随着 2024 国际光化学技术与产业大会的召开，首届 “武创源” 国际光化学及绿色制造技术创新大赛的举办，光化学技术的创新与应用将得到进一步推动。众多优秀项目的签约落地，将为光化学产业的发展注入新的活力。例如，“黄磷无氯化制造有机磷酸的新技术” 项目从源头出发实现了有机磷酸化合物的变革性制备，避开了传统黄磷工业环境不友好的氯化路线和多步骤的繁琐过程，满足人类社会对绿水青山的需求。“绿色新型 LED 光化学反应装备” 项目旨在为光化学实验、中试提供一套国产化替代的专业 LED 光源产品系统，最终目标打造光催化设备与光催化工艺相结合的工艺包，并用于化工、医药、新材料等行业工业生产，打破国外产品的垄断。“光子晶体防伪油墨领航者” 项目被评为 “最具投资价值科技成果” 之一，将为防伪油墨市场带来新的发展机遇。

总之，光化学在推动绿色产业发展、实现 “双碳” 目标方面具有巨大的潜力。未来，随着技术的不断进步和创新，光化学将在更多领域发挥重要作用，为人类的可持续发展做出更大贡献。我们对光化学的未来发展充满期待。