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中国学科发展战略——光化学
信源:科学网|编辑:2018-03-14| 网址:http://www.popyard.org     抄送朋友打印保留

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光是生命起源和人类生存发展的物质基础之一。对光的研究派生了人类科学史上量子力学等许多重大科学领域。这其中,光化学是研究光与物质相互作用所引起的化学效应的化学分支学科,始于20 世纪初。

光化学早期主要是研究处于激发态的分子的结构及其理化性质的科学。经过上百年的发展,现代光化学的研究对象已经不再局限于激发态小分子,而是扩展到大分子、超分子以及凝聚态体系,特别是自然光合作用体系。近十几年来,随着人类对能源、环境、健康等问题的高度重视,现代光化学研究取得了快速发展,研究领域不断拓展,研究系统趋向复杂化和多元化,研究内容不断深入,成为自然科学的一个前沿研究方向。

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。

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