近期，中国科大苏州高等研究院戴懿涛老师课题组与合作团队（中国科大熊宇杰教授团队）设计了新型高效的ppm级铜原子掺杂人工光合成催化系统，发现了微量铜元素在光催化环氧化合物开环反应上的显著促进作用，为高性能多相光催化剂的开发设计提供了新的研究思路。研究成果以“Ppm-level Cu dopant on ultrathin Pd nanosheets/TiO₂ for highly enhanced photocatalytic alcoholysis of epoxides “为题，于2022年2月12日发表在Applied Catalysis B: Environmental高水平期刊上（IF=19.503；DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121211）。戴懿涛老师为本文的共同通讯作者，中国科大苏州高等研究院为通讯单位。

传统有机化工反应通常需要苛刻的操作条件（如高温、高压和强氧化剂/还原剂的使用），存在着高能耗和环境污染等问题，这与我国当前的”碳达峰、碳中和“发展方向不一致，相关的有机化工厂亟需进行能源结构低碳化转型。而一种新兴的人工光合成过程为现代有机合成的绿色化发展带来了契机，并得到了越来越广泛的研究。该过程从能源角度上来说是通过人造材料的催化系统将光能清洁、高效地转化为化学能，如无机半导体基的人工光合系统驱动有机合成反应来制取高附加值的精细化学品。但目前仍然存在着能量利用效率低、目标产物选择差等关键科学问题，严重限制了人工光合成催化系统在化工生产上的实际应用。

图1、Cu₁Pd₂₀₀/TiO₂基人工光合成系统用于环氧苯乙烷的开环反应

针对上述问题，戴懿涛老师课题组始终围绕人工光合成催化系统表面的催化反应过程进行研究，以实现光照下重要有机化学品的高效、高选择性绿色合成。近期与合作团队通过表界面工程技术从原子尺度层面上调控人工光合成催化系统的反应位点，在超薄Pd金属片（约2 nm厚）的表面成功地引入了ppm级的微量铜原子，并以环氧化合物的开环反应为研究模型。在光照、室温和无强酸存在的条件下，该光催化系统即可实现环氧苯乙烷在醇溶液中的高选择性开环以合成β-烷氧基醇（选择性大于99%，该产品为相关免疫抑制剂和抗肿瘤药物的重要前驱体），并表现出了和常规多相热催化剂相媲美的高反应性能（反应速率176 mmol·g^-1·h^-1）。通过原位的光谱表征技术和催化机理研究实验，揭示了光催化系统表面微量铜原子的关键促进作用，不仅能改变Pd金属片的电子结构，同时为反应物的活化提供了有效的化学吸附位点。该工作为高效人工光合成催化系统的理性设计和精细化学品的新型光合成路线提供了重要的实验依据和一定的指导意义。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121211