近日，澳大利亞昆士蘭大學侯經緯教授和團隊將半導體材料與雜化玻璃基體結合，成功製備一種晶體非晶體複合材料，並探索了其在催化反應中的應用。
其所提出的這一通用策略，不僅能將半導體鈣鈦礦材料的高吸光度和可調控的頻寬等獨特物理特性與實際催化過程相結合，還顯著提升了複合材料的穩定性、加工性和催化效率。
研究中他們發現，玻璃基體為鈣鈦礦提供了一個穩定的環境，能夠有效增強電子和能量的傳輸效果，從而提升催化效率。
更為重要的是，本次研究表明這種複合材料在高溫條件下表現出優異的催化效能。這是因為玻璃基體在高溫下具有類似溶劑的效果，可以促進其他材料在複合體系內的溶解和分散。
這一過程與傳統的溶解過程相似，但卻發生在 300℃ 至 500℃ 的高溫環境下，因此可以極大提高電子和空穴在複合材料介面處的傳輸效率。
總的來說，本研究成功開發了鈣鈦礦玻璃複合催化材料。同時，還揭示瞭如下理論：在催化反應中，微觀結構和介面設計的最佳化，能夠顯著提升材料的催化效能和穩定性。
這一發現為新型催化材料的設計和多領域應用（如光催化、能源轉化等）提供了重要的理論支援。
基於多孔雜化玻璃材料的獨特效能，該研究成果具有廣泛的潛在應用前景：
在可再生能源領域，它能被用於開發太陽能發電的玻璃幕牆，這種幕牆不僅能夠實現建築表面的高效光電轉換，還可以透過光催化反應提供清潔能源，例如將水蒸氣分解成氫氣和氧氣，從而推動綠色建築的發展。
在工業催化領域，催化玻璃材料可以作為催化反應裝置的核心元件，其優異的穩定性和催化活效能夠提升化學反應的效率，同時耐高溫、耐腐蝕的特性也延長了裝置的使用壽命。
在環境治理領域，催化玻璃材料可被用於難降解廢棄物的高效降解上，例如透過光催化技術處理有機汙染物、塑膠廢棄物和重金屬，為環境修復提供綠色經濟的解決方案。
在分離技術領域，多孔玻璃材料憑藉其可調控的孔道結構和化學特性，可被用於氣體分離（如二氧化碳捕獲）、液體分離（如海水淡化）以及化工產品提純等場景，從而顯著提高分離效率並能降低能耗。
在水處理和氣體分離領域，多孔玻璃材料作為一種新型分離膜材料，表現出高選擇性和高透過性，故能為可持續發展帶來新的可能性。
總的來說，這些潛在應用涵蓋能源、環保、工業等多個領域，隨著材料效能的進一步最佳化和技術的成熟，這一成果有望轉化為實際應用。
300℃ 至 500℃ 高溫下的獨特反應
2019 年，當侯經緯在昆士蘭大學成立課題組之後，其將研究重點聚焦在晶體-非晶體複合玻璃材料上。這個領域吸引他和團隊的原因有很多，但最核心的一點是它能幫助他們深入探索非晶體材料微觀結構的秘密，特別是探索晶體和非晶體之間的過渡過程。
對於材料科學來說，這個問題既複雜又有趣，基於此開展研究能夠為理解這些結構的內在規律提供新視角。
非晶體材料有著廣泛的應用，但是目前依然是一個研究難點，這是因為人們此前還沒有完全準確地建立效能與結構之間的關係。
但是，該團隊認為他們的複合體系可以為這一難題提供新穎的研究角度和潛在的解決方案。
更重要的是，這種複合材料有著廣泛的實際應用潛力。透過精確調控複合體系的組成和結構，能為光學、催化、分離以及感測等多個領域提供新的材料解決方案。
課題組意識到，這些應用方向不僅僅是他們在學術上的興趣點，更是解決一些現實問題的關鍵。例如，在光學領域，複合玻璃材料有可能實現更高效的光傳輸和轉化；在催化和分離領域，複合玻璃材料能夠透過最佳化孔道結構來提高效能。
同時，該團隊的研究思路也比較特別。他們將晶體-非晶體複合玻璃體系視為一種特殊的“多孔聚合物”。從這個角度來看，這種材料的孔道結構、化學性質和物理性質都可以透過設計和調控來實現精確最佳化。正是這種“可設計性”讓他們對本次研究方向充滿信心。
總的來說，本次研究有兩個目標：一是加深對於材料微觀結構和效能之間關係的理解，二是透過這種理解開發出更高效、更可持續的實用材料體系。
隨著研究的深入他們進一步發現，玻璃材料在高溫融融過程中，能起到類似高溫溶劑的作用，使得其他材料可以在玻璃基底中部分溶解。這一過程與傳統的溶質溶解在溶液中的過程非常相似，但卻發生在 300℃ 到 500℃ 的高溫環境下。
這個高溫過程為他們實現介面的電子傳輸提供了理想途徑，能夠允許被激發出的電子和空穴跨越複合材料的介面，在玻璃基體內發生高效的催化反應。這一突破性發現成為他們最終工作的核心，使得他們能夠實現高效的光催化過程。
材料浸泡數月之久，竟能保持極高光轉化
研究中，有一件事至今讓侯經緯記憶猶新，甚至可以說它在某種程度上改變了他們對於鈣鈦礦複合材料的理解。
那是在 2020 年，實驗室由於疫情原因被迫關閉，有一段時間課題組無法進行任何實驗。在那段時間裡，他們的研究幾乎停滯不前，但正是這段無法進行實驗的日子，給了他們一個意想不到的機會。
隨著實驗室逐漸恢復執行，他們重新開始針對鈣鈦礦複合材料進行測試。結果讓他們大吃一驚：這些材料在水溶液中浸泡了幾個月後，竟然仍能保持非常高的光轉化。
這讓他們意識到，本次複合材料的穩定性遠超之前的預期，即遠比他們最初設想的要持久和可靠。如果沒有那段時間的停頓，可能他們也不會如此深刻地認識到這一點。
要知道，這種材料的高穩定性為它在多個實際應用領域提供了巨大潛力，比如能夠實現在環境治理和能源轉化等領域的應用。
從這次經歷中，他們不僅看到了科學研究中的偶然性，也深刻體會到有時科研也會“因禍得福”，正是偶然的停頓為他們帶來了意外的發現。
這讓侯經緯更加相信，在科學的道路上，不僅需要嚴謹的思考和持續的努力，也需要在某些時刻留意那些看似微不足道的細節，這可能會帶來意想不到的突破。
最終，相關論文以《人工光合作用下，將 MOF 玻璃與鹵化鉛蛋白相結合》（Intermarrying MOF Glass and Lead Halide Perovskites for Artificial Photosynthesis）為題發在JACS[1]，Wengang Huang 是第一作者，侯經緯擔任通訊作者。
未來，他們計劃探索將傳統無機光催化材料與玻璃基底相結合的潛力。預計透過這種複合策略，不僅可以顯著提升無機粉末材料的加工和成型效能，還能透過精準調控介面的微觀結構，進一步提高複合材料的催化效率和穩定性。
參考資料：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c12619
排版：羅以
