在纳米科学与催化领域，杨培东院士团队永远不会让人失望。近日，加州大学伯克利分校杨培东院士团队同日在国际顶级期刊《Nature Chemistry》发表两篇重磅研究，分别在光催化可持续合成与超分子功能材料领域取得突破性进展，再次展现了这位顶尖科学家在多个领域的深厚积累与创新能力。
在传统的工业合成中，二胺作为聚酰胺、环氧树脂、聚氨酯等高性能聚合物的核心单体，其合成往往依赖高温高压的苛刻条件，还会产生大量废弃物，既不经济也不环保。而传统的光催化合成虽然条件温和，却始终面临一个核心难题：光生电荷寿命极短，皮秒到微秒内就会复合，大部分光能都被浪费了。
受自然界光合作用中 “光反应储能、暗反应固碳” 的启发，杨培东团队开发出了一种全新的可光充电硫化铟锌（ZnIn₂S₄，ZIS）纳米晶体，这种材料自带 “电荷电池”，可以把光生电子存储起来，不仅解决了电荷复合的问题，还能让催化反应在关灯之后继续进行！
为了制备这种高性能的纳米催化剂，研究团队首先通过水热法完成了 ZIS 纳米晶的可控合成：
他们将锌盐、铟盐与硫源按精确的摩尔比例溶解在去离子水中，在磁力搅拌器的持续搅拌下形成均匀透明的前驱液；随后将前驱液转移至聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，在高温下完成纳米晶的生长与结晶。
合成后的样品经过超声波清洗机分散、高速离心机分离纯化，去除残留的前驱体杂质，最终放入真空干燥箱中烘干，得到了纯净的 ZIS 纳米晶催化剂。
为了确认催化剂的结构与缺陷，研究团队动用了一系列高精度的表征仪器：
• 首先通过透射电子显微镜（TEM），清晰观测到了尺寸均匀、分散性优异的纳米晶体，证实了材料的纳米尺度结构；
• 随后利用X 射线衍射仪（XRD）对材料的晶体结构进行了分析，确认了纯相的立方相 ZIS 结构，没有任何杂质峰，证明了合成的高纯度；
• 为了分析元素价态与表面缺陷，研究人员使用X 射线光电子能谱仪（XPS）对材料表面进行了扫描，不仅确认了锌、铟、硫三种元素的价态，还发现了硫空位存在的特征信号；
• 最终，通过电子顺磁共振波谱仪（EPR），研究团队观测到了明显的未成对电子信号，与硫空位的理论模拟信号完全吻合，正式证实了材料内部原位生成的硫空位陷阱态 —— 这正是 “光充电” 能力的核心来源！
完成催化剂的制备与表征后，研究团队搭建了完整的光催化反应体系，测试其胺类脱氢偶联的性能：
在无水无氧的手套箱中，他们将 2mg ZIS 光催化剂、镍助催化剂与胺类底物溶解在 DMF 溶剂中，密封于专用光催化反应管中，避免空气对反应的干扰。
反应采用Kessil 370nm 紫外 LED 灯作为光源，通过光功率计将入射光功率精准校准至 30mW/cm²，在室温、常压的温和条件下进行光照反应。
在反应过程中，研究团队通过气相色谱仪（GC）实时监测反应生成的氢气量，随时追踪反应进程；反应结束后，再通过气相色谱 - 质谱联用仪（GC-MS）对有机产物进行定性与定量分析，准确计算反应的产率与选择性。
为了测试体系的能量利用效率，研究团队还通过单色光入射系统结合光功率计，测量了体系的表观量子效率，最终得到了高达 39.4% 的惊人结果！
测试结果显示，该体系的二胺产率超过了 120 mmol・g⁻¹・h⁻¹，产物选择性更是超过 95%，远超传统的光催化体系。更重要的是，该体系具备极强的可扩展性 —— 研究团队将反应规模放大至 20 克底物的大剂量反应，依然得到了几乎一致的优异结果，完全具备工业化放大的潜力。
除此之外，该体系还能拓展到氨基酸酯的偶联与聚合反应中，同样能在生成目标产物的同时副产氢气，实现了原子利用率 100% 的绿色合成，适用性非常广泛。
为了搞清楚这种可光充电能力的内在机制，研究团队通过瞬态光电流测试系统对材料的电荷存储与释放过程进行了测试。
他们发现，在光照条件下，光生电子会被硫空位陷阱态捕获并存储起来，这就是 “光充电” 的过程；而当关灯之后，这些存储的电子并不会消失，反而会缓慢释放出来，继续驱动析氢反应，让催化反应在暗态下依然可以进行！
这种机制完美模拟了自然界的光合作用，把光反应和暗反应解耦，大幅提升了电荷的利用效率，也解决了传统光催化必须持续光照的限制。
除了光催化的重磅突破，杨培东团队同日发表的另一篇论文，同样在超分子领域取得了重要进展。
传统的卤化物钙钛矿材料，大多依赖八面体结构单元，很难实现对不同几何构型的金属卤化物单元的精准组装。而杨培东团队开发了一种通用的超分子组装策略，利用冠醚的主客体识别能力，将金属卤化物络合物与冠醚 - 金属阳离子络合物交替连接，成功构建出了一维分子导线，还能进一步组装成六方晶体结构。
以 (18C6@Ba) MnBr₄单晶为例，这种材料实现了超过 80% 的光致发光量子产率，还有窄半峰宽的绿光发射；同时，非中心对称的晶体结构还赋予了材料极强的非线性光学响应，比如二次谐波产生。更重要的是，这种策略是通用的，可以拓展到多种不同配位构型的金属卤化物络合物，为新型光电功能材料的设计提供了全新的思路。
这两项成果，分别从催化合成与超分子材料两个方向，为相关领域带来了全新的范式。可光充电半导体的出现，不仅为二胺等重要单体的绿色合成提供了全新的路线，更为光催化技术的发展开辟了新的方向；而超分子组装策略，则为新型光电材料的设计提供了通用的方法。
我们有理由期待，杨培东团队未来还能带来更多这样的突破性成果，推动纳米科学与催化技术不断向前迈进。
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