纳米晶体储存光能并驱动化学反应

化学越来越多地利用植物可以通过光合作用进行的技巧：用光能驱动运行不佳或根本不会自发发生的化学反应。这需要合适的光催化剂来捕获光能并使其可用于反应。在《AngewandteChemie》杂志上，一个中国研究团队现已引入分层核/壳量子点，可有效推动具有挑战性的有机转化。它们的低毒性是一个特别的优势。

量子点是精细分散的无机半导体纳米晶体。它们在可调节的光谱范围内强烈吸收，并且易于回收。到目前为止，光催化量子点几乎完全基于剧毒元素镉和铅。这和它们有限的效率一直是它们更广泛使用的主要障碍。

由吴开峰(中国科学院)领导的一个研究小组现已推出了具有极低毒性和极高性能的新型量子点。它们由市售的蓝色LED激活——不需要通常需要的紫外线。它们成功的秘诀在于它们的核/壳结构和可用于“存储”光能的可变涂层。

量子点只有几纳米宽。它们的核心由硒化锌(ZnSe)组成，并被硫化锌(ZnS)制成的薄壳包围。蓝光将硒化锌提升到激发态，在该状态下它可以很容易地放弃电子。外壳防止电子立即被所谓的缺陷捕获。

该团队在壳的表面配备了特殊的二苯甲酮配体，可以“吸收”量子点中的电子，将它们储存起来，并使它们可用于有机反应。例如，该团队能够进行芳基氯化物的还原脱卤和丙烯酸酯的无添加剂聚合——这是传统光催化剂运行不佳或根本不运行的重要反应。

第二个版本是通过用可以直接从激发的量子点吸收能量的联苯配体涂覆表面制成的。这使它们进入长寿、高能量的三重态。以这种方式“存储”的三重态能量可以转移到特定的有机分子上，然后它们也进入三重态。在这种状态下，它们可以发生在基态下不可能发生的化学反应。

作为示范，该团队进行了苯乙烯的[2+2]均环加成和羰基与烯烃的环加成。这些产生四元环(分别为环丁烷或氧杂环丁烷)，它们是药物开发等领域的重要起始材料。