研究人员近日报告称，他们开发出一种利用光能驱动关键化学反应的新方法，目标是在降低工艺能耗的同时，减少有害氧化副产物并尽可能压缩碳排放。

烯烃环氧化反应虽不为大众熟知，但其产物环氧化合物是纺织、塑料、化工和制药等行业的重要基础原料。现行行业标准工艺通常依赖强氧化剂过氧化物来推动氧化反应。研究人员指出，这类过氧化物在安全处理方面存在难度，并伴随二氧化碳排放。

研究团队表示，水可作为替代氧化剂，但水分子中的H2O键难以断裂，往往需要高温条件，从而带来较高能耗，并进一步推升二氧化碳排放。因此，若能在更温和条件下让水参与氧化过程，将有望显著降低相关工艺的碳足迹。

该研究由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学教授Prashant Jain团队牵头，并与圣保罗大学的Susana Inés Córdoba de Torresi、西北大学的George Schatz共同领导，成果发表在《美国化学会志》上。Jain团队此前以利用太阳能作为动力源开展等离子化学过程而受到关注，其代表性工作之一包括通过相关过程回收无机二氧化碳以制备化学燃料。

Jain在研究中表示，“利用光能增强电化学反应”这一概念约在2018年前后发展起来，最初应用于氨合成和二氧化碳还原，并取得积极结果。团队据此提出假设：该技术也可用于工业相关的环氧化反应。

在本次研究中，伊利诺伊大学研究员、合著者Lucas Germano使用由金纳米粒子与氧化锰纳米线电极构成的光吸收“天线”催化剂。研究人员称，该设计将电能与可见光光子的能量结合，可在无需高温加热的条件下打破水分子中的H-O-H键，使水有效转化为氧化剂。

Jain介绍，实验室规模激光器提供的可见光光子被纳米粒子吸收后，会诱导强电场与高能载流子，从而削弱水中的O-H键以及苯乙烯中的双键；在此基础上，氧原子可从水中被提取并加成到双键上，生成环氧化合物。

研究团队同时指出，尽管该实验室演示为相关问题提供了可行路径，但要实现工业化规模应用仍面临挑战。下一步工作包括：以可扩展、节能的光源替代激光作为主要光源；更精细地控制光驱动反应以避免过度氧化；并设计更大规模、具备良好光可及性的电解槽系统，以放大在实验室反应器中观察到的反应活性。