原位拉曼光谱研究激光诱导化学反应及机理

Laser induction has the hope to realize some chemical reactions that cannot be occurred at ambient conditions, or to increase the reaction rate and efficiency, which has received increasing attention in recent years. Based on the research hot subjects and our previous works, we propose to systematically study laser induced chemical reactions by in situ Raman spectroscopy technique, including laser induced chemical modification of two-dimensional materials like graphene and transition metal disulfides (selenides), laser induced reaction process and mechanism of the cycloaddition of vinyl compounds and cleavage of cyclobutane compounds, and designed synthesis of nanocomposites that are visible light responsible, their surface plasmon modulation and laser induced chemical reactions. Through this proposal, we aim to reveal the influences of electronic and bandgap structure, laser wavelength, laser power, and reaction atmosphere to the laser induced chemical reactions, and explain the working mechanism of laser induction in these chemical reactions. We believe our experimental studies can broaden the research areas of laser induced chemical reactions by in situ Raman spectroscopy, as well as providing some new ideas for the researches in photocatalysis.

激光诱导有望以实现一些在常温常压下不能进行的化学反应，或者使相关反应的反应速率和效率得以较大的提高，因此近来受到了越来越多的关注。结合当前的研究热点和我们的前期工作，提出基于原位拉曼光谱技术，采用激光诱导途径来系统研究石墨烯、过渡金属二硫(硒)化物等二维材料的激光诱导共价改性，环丁烷化合物开环反应及乙烯基化合物成环反应的激光诱导反应过程及机理，具有可见光活性的纳米复合材料的设计合成、表面等离激元调控及激光诱导化学反应。通过对上述体系的研究，旨在揭示材料电子和能带结构、激光波长、激光功率以及反应气氛对相关化学反应的影响，阐明所研究化学反应中激光诱导的作用机理，为原位拉曼光谱研究激光诱导化学反应这一新兴方向的拓宽发展提供真实可靠的实验依据，为光催化的研究提供一些新的思路。

激光诱导可以实现在常温常压下不能进行的化学反应，或者提升相关化学反应的反应速率，是催化反应中的一个新领域。本项目利用原位技术研究了激光等离激元诱导石墨烯区域氯化反应，实验证实等离激元辅助诱导的石墨烯氯化是实现石墨烯区域官能团化的一种新方法；在贵金属纳米材料中，引入TiO2、MoS2等半导体材料可以进一步调控等离激元诱导的催化反应速率。本项目还研究了二维过渡金属硫族化合物（TMDs）的SERS效应，发现具有更少层数、更多的表面缺陷、更低晶体对称性的TMDs材料更有利于SERS基底与吸附分子间的电荷转移，因此可以得到更强的拉曼信号。此外，该项目还研究了单颗粒过渡金属氧属化合物的SERS效应，发现非晶材料和晶体材料相比，非晶材料具有更优异的SERS性能。总之，该项目不仅利用原位拉曼技术揭示了一些化学反应的机理，而且还构建了高效的SERS基底，实现了对有机分子的痕量检测。本项目执行过程中，在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater. 、Small等期刊发表论文53篇，培养毕业博士生4人，毕业硕士生9人，相关成果获得黑龙江省自然科学一等奖1项。