近日，澳大利亚昆士兰大学侯经纬教授和团队将半导体材料与杂化玻璃基体结合，成功制备一种晶体非晶体复合材料，并探索了其在催化反应中的应用。
图 | 侯经纬（来源：侯经纬）
其所提出的这一通用策略，不仅能将半导体钙钛矿材料的高吸光度和可调控的带宽等独特物理特性与实际催化过程相结合，还显著提升了复合材料的稳定性、加工性和催化效率。
研究中他们发现，玻璃基体为钙钛矿提供了一个稳定的环境，能够有效增强电子和能量的传输效果，从而提升催化效率。
更为重要的是，本次研究表明这种复合材料在高温条件下表现出优异的催化性能。这是因为玻璃基体在高温下具有类似溶剂的效果，可以促进其他材料在复合体系内的溶解和分散。
这一过程与传统的溶解过程相似，但却发生在 300℃ 至 500℃ 的高温环境下，因此可以极大提高电子和空穴在复合材料界面处的传输效率。
总的来说，本研究成功开发了钙钛矿玻璃复合催化材料。同时，还揭示了如下理论：在催化反应中，微观结构和界面设计的优化，能够显著提升材料的催化性能和稳定性。
这一发现为新型催化材料的设计和多领域应用（如光催化、能源转化等）提供了重要的理论支持。
基于多孔杂化玻璃材料的独特性能，该研究成果具有广泛的潜在应用前景：
在可再生能源领域，它能被用于开发太阳能发电的玻璃幕墙，这种幕墙不仅能够实现建筑表面的高效光电转换，还可以通过光催化反应提供清洁能源，例如将水蒸气分解成氢气和氧气，从而推动绿色建筑的发展。
在工业催化领域，催化玻璃材料可以作为催化反应装置的核心组件，其优异的稳定性和催化活性能够提升化学反应的效率，同时耐高温、耐腐蚀的特性也延长了装置的使用寿命。
在环境治理领域，催化玻璃材料可被用于难降解废弃物的高效降解上，例如通过光催化技术处理有机污染物、塑料废弃物和重金属，为环境修复提供绿色经济的解决方案。
在分离技术领域，多孔玻璃材料凭借其可调控的孔道结构和化学特性，可被用于气体分离（如二氧化碳捕获）、液体分离（如海水淡化）以及化工产品提纯等场景，从而显著提高分离效率并能降低能耗。
在水处理和气体分离领域，多孔玻璃材料作为一种新型分离膜材料，表现出高选择性和高通过性，故能为可持续发展带来新的可能性。
总的来说，这些潜在应用涵盖能源、环保、工业等多个领域，随着材料性能的进一步优化和技术的成熟，这一成果有望转化为实际应用。
（来源：JACS）
300℃ 至 500℃ 高温下的独特反应
2019 年，当侯经纬在昆士兰大学成立课题组之后，其将研究重点聚焦在晶体-非晶体复合玻璃材料上。这个领域吸引他和团队的原因有很多，但最核心的一点是它能帮助他们深入探索非晶体材料微观结构的秘密，特别是探索晶体和非晶体之间的过渡过程。
对于材料科学来说，这个问题既复杂又有趣，基于此开展研究能够为理解这些结构的内在规律提供新视角。
非晶体材料有着广泛的应用，但是目前依然是一个研究难点，这是因为人们此前还没有完全准确地建立性能与结构之间的关系。
但是，该团队认为他们的复合体系可以为这一难题提供新颖的研究角度和潜在的解决方案。
更重要的是，这种复合材料有着广泛的实际应用潜力。通过精确调控复合体系的组成和结构，能为光学、催化、分离以及传感等多个领域提供新的材料解决方案。
课题组意识到，这些应用方向不仅仅是他们在学术上的兴趣点，更是解决一些现实问题的关键。例如，在光学领域，复合玻璃材料有可能实现更高效的光传输和转化；在催化和分离领域，复合玻璃材料能够通过优化孔道结构来提高性能。
同时，该团队的研究思路也比较特别。他们将晶体-非晶体复合玻璃体系视为一种特殊的“多孔聚合物”。从这个角度来看，这种材料的孔道结构、化学性质和物理性质都可以通过设计和调控来实现精确优化。正是这种“可设计性”让他们对本次研究方向充满信心。
总的来说，本次研究有两个目标：一是加深对于材料微观结构和性能之间关系的理解，二是通过这种理解开发出更高效、更可持续的实用材料体系。
随着研究的深入他们进一步发现，玻璃材料在高温融融过程中，能起到类似高温溶剂的作用，使得其他材料可以在玻璃基底中部分溶解。这一过程与传统的溶质溶解在溶液中的过程非常相似，但却发生在 300℃ 到 500℃ 的高温环境下。
这个高温过程为他们实现界面的电子传输提供了理想途径，能够允许被激发出的电子和空穴跨越复合材料的界面，在玻璃基体内发生高效的催化反应。这一突破性发现成为他们最终工作的核心，使得他们能够实现高效的光催化过程。
材料浸泡数月之久，竟能保持极高光转化
研究中，有一件事至今让侯经纬记忆犹新，甚至可以说它在某种程度上改变了他们对于钙钛矿复合材料的理解。
那是在 2020 年，实验室由于疫情原因被迫关闭，有一段时间课题组无法进行任何实验。在那段时间里，他们的研究几乎停滞不前，但正是这段无法进行实验的日子，给了他们一个意想不到的机会。
随着实验室逐渐恢复运行，他们重新开始针对钙钛矿复合材料进行测试。结果让他们大吃一惊：这些材料在水溶液中浸泡了几个月后，竟然仍能保持非常高的光转化。
这让他们意识到，本次复合材料的稳定性远超之前的预期，即远比他们最初设想的要持久和可靠。如果没有那段时间的停顿，可能他们也不会如此深刻地认识到这一点。
要知道，这种材料的高稳定性为它在多个实际应用领域提供了巨大潜力，比如能够实现在环境治理和能源转化等领域的应用。
从这次经历中，他们不仅看到了科学研究中的偶然性，也深刻体会到有时科研也会“因祸得福”，正是偶然的停顿为他们带来了意外的发现。
这让侯经纬更加相信，在科学的道路上，不仅需要严谨的思考和持续的努力，也需要在某些时刻留意那些看似微不足道的细节，这可能会带来意想不到的突破。
最终，相关论文以《人工光合作用下，将 MOF 玻璃与卤化铅蛋白相结合》（Intermarrying MOF Glass and Lead Halide Perovskites for Artificial Photosynthesis）为题发在JACS[1]，Wengang Huang 是第一作者，侯经纬担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：JACS）
未来，他们计划探索将传统无机光催化材料与玻璃基底相结合的潜力。预计通过这种复合策略，不仅可以显著提升无机粉末材料的加工和成型性能，还能通过精准调控界面的微观结构，进一步提高复合材料的催化效率和稳定性。
参考资料：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c12619
排版：罗以
