光是生命起源和人類(lèi)生存發(fā)展的物質(zhì)基礎之一。對光的研究派生了人類(lèi)科學(xué)史上量子力學(xué)等許多重大科學(xué)領(lǐng)域。這其中，光化學(xué)是研究光與物質(zhì)相互作用所引起的化學(xué)效應的化學(xué)分支學(xué)科，始于20 世紀初。

光化學(xué)早期主要是研究處于激發(fā)態(tài)的分子的結構及其理化性質(zhì)的科學(xué)。經(jīng)過(guò)上百年的發(fā)展，現代光化學(xué)的研究對象已經(jīng)不再局限于激發(fā)態(tài)小分子，而是擴展到大分子、超分子以及凝聚態(tài)體系，特別是自然光合作用體系。近十幾年來(lái)，隨著(zhù)人類(lèi)對能源、環(huán)境、健康等問(wèn)題的高度重視，現代光化學(xué)研究取得了快速發(fā)展，研究領(lǐng)域不斷拓展，研究系統趨向復雜化和多元化，研究?jì)热莶粩嗌钊?，成為自然科學(xué)的一個(gè)前沿研究方向。

鑒于其與多學(xué)科（如生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域）廣泛交叉的特點(diǎn)，下文將以具體的科學(xué)問(wèn)題為依據進(jìn)行光化學(xué)各分支學(xué)科的劃分， 包括有機光化學(xué)、能源光化學(xué)、環(huán)境光化學(xué)、光生物學(xué)、光致發(fā)光和發(fā)光分子材料、光致變色材料、太陽(yáng)能電池和光驅動(dòng)分子機器八個(gè)分支方向，現將各分支學(xué)科情況簡(jiǎn)要總結如下。

一

有機光化學(xué)是研究處于電子激發(fā)態(tài)的有機分子的物理和化學(xué)性質(zhì)的學(xué)科領(lǐng)域。書(shū)中重點(diǎn)介紹了近十年來(lái)有機光化學(xué)領(lǐng)域的重要進(jìn)展，包括有機生色團光化學(xué)反應、光敏化反應和可見(jiàn)光氧化還原催化反應，充分展示了有機光化學(xué)近年來(lái)的重大發(fā)展趨勢，即研究重點(diǎn)已從生色團的光化學(xué)反應轉移到可見(jiàn)光氧化還原催化反應上來(lái)，尤其是利用可見(jiàn)光氧化還原催化反應實(shí)現惰性化學(xué)鍵的活化和官能化。為了進(jìn)一步推動(dòng)有機光化學(xué)的持續發(fā)展，建議未來(lái)更加注重如下幾個(gè)方面的探索：①發(fā)展高立體選擇性光化學(xué)反應新策略；②發(fā)展廉價(jià)、高效、穩定、可重復利用的光催化劑和光敏劑；③探索有機光化學(xué)反應的工業(yè)應用；④利用有機光化學(xué)的方法和技術(shù)解決能源、環(huán)境、生命健康等領(lǐng)域的瓶頸問(wèn)題；⑤利用相關(guān)領(lǐng)域的新方法和技術(shù)助力有機光化學(xué)研究。

二

能源光化學(xué)是研究將太陽(yáng)能轉化存儲為化學(xué)能的學(xué)科，是能源領(lǐng)域世界性的重大科學(xué)難題，兼具重要的科學(xué)意義和應用背景。內容主要包括基于半導體材料的能源光催化和光電催化兩個(gè)方向。其共性核心科學(xué)問(wèn)題包括三個(gè)方面：如何實(shí)現太陽(yáng)能的高效吸收、光生電荷的高效分離、傳輸和高效的表面催化反應過(guò)程。該領(lǐng)域研究自1972 年興起，雖經(jīng)歷較長(cháng)的停滯階段，但自2001 年以來(lái)隨著(zhù)材料、化學(xué)、物理、生物、工程等學(xué)科的發(fā)展取得了許多重要進(jìn)展。半導體材料的發(fā)展經(jīng)歷了從紫外響應到可見(jiàn)光響應及材料吸光范圍不斷拓寬的階段；半導體光生電荷分離研究不斷取得進(jìn)展，發(fā)展了基于異相結、異質(zhì)結、晶面的電荷分離策略；基于表面催化反應提出了雙助催化劑策略。此外，研究也拓展到理論模擬、超快光譜表征和原位成像技術(shù)，對催化的微觀(guān)反應機理認識逐步深入?，F階段該領(lǐng)域存在的主要問(wèn)題是太陽(yáng)能轉化效率遠低于實(shí)際應用的需求。因此，建議未來(lái)主要從以下幾個(gè)方面加強研究：①發(fā)展高效光（電）催化材料設計理論、方法，提出指導材料設計、開(kāi)發(fā)的物理參數及模型；②基于材料基因組科學(xué)發(fā)展具有優(yōu)異光電特性的寬光譜捕光材料；③發(fā)展新型、高效光生電荷分離策略；④發(fā)展原位時(shí)空分辨的現代光譜表征技術(shù)；⑤注重光（電）催化學(xué)科與其他學(xué)科的交叉融合研究。

二

環(huán)境光化學(xué)是研究利用光能進(jìn)行環(huán)境污染物治理的學(xué)科。環(huán)境問(wèn)題是目前全人類(lèi)普遍面臨的重大難題。在能源結構難以發(fā)生根本性變化的今天，探索和開(kāi)發(fā)高效、清潔的環(huán)境污染物治理方法，已經(jīng)成為治理環(huán)境污染的重中之重。污染物治理涉及化學(xué)、物理、生物等多個(gè)學(xué)科，該領(lǐng)域的發(fā)展既需要相關(guān)學(xué)科的基礎研究為背景，在發(fā)展的同時(shí)也會(huì )更進(jìn)一步促進(jìn)有關(guān)學(xué)科的進(jìn)步。本書(shū)將從解決空氣污染、水污染和微生物污染等問(wèn)題的光化學(xué)凈化入手，介紹研究現狀，直面科學(xué)問(wèn)題，進(jìn)而提出學(xué)科發(fā)展建議。與能源光化學(xué)相似，環(huán)境光化學(xué)污染物治理也依賴(lài)于半導體光催化劑和具有強烈氧化還原能力的光生載流子。一系列的氧化還原反應使污染物分子、微生物發(fā)生結構破壞和降解，起到凈化作用。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，可用于光化學(xué)污染物凈化的光催化材料大大豐富，從最初的二氧化鈦、氧化鋅等無(wú)機金屬氧化物到類(lèi)石墨烯相氮化碳等非金屬材料，再到全有機的苝酰亞胺超分子材料等。摻雜、復合、晶面調控等一系列方法也被報道用于光催化性能的提高。同時(shí)，材料的光譜利用效率也由最初的紫外光響應，向可見(jiàn)光、紅外光拓展，甚至擴展到全光譜響應。但是，目前的種種進(jìn)步和發(fā)展距離實(shí)際廣泛應用仍然還有一定距離。因此，未來(lái)的研究還需要更加深入，進(jìn)一步探明光化學(xué)環(huán)境凈化的普遍科學(xué)規律，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新型光化學(xué)環(huán)境凈化材料，進(jìn)一步提高光催化材料凈化性能，進(jìn)一步拓展光催化材料光譜響應范圍，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)科的交叉融合。

四

光生物學(xué)是研究生命物質(zhì)與電磁波（包括近紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光、近紅外線(xiàn)波長(cháng)范圍）相互作用的一個(gè)領(lǐng)域。光合作用等生物系統中的許多過(guò)程需要太陽(yáng)光進(jìn)行驅動(dòng)、調節以及信息傳遞（如生物熒光、視覺(jué)等），使得光生物學(xué)成為生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)研究中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。光生物學(xué)涉及對太陽(yáng)能的利用。自然界植物對太陽(yáng)光的利用一直是生命科學(xué)領(lǐng)域的重大基礎科學(xué)問(wèn)題，書(shū)中主要對植物光生物學(xué)相關(guān)的研究進(jìn)行介紹，主要包括植物光合作用、植物對光的感知、植物對光能利用等研究方向。書(shū)中對當前國內外研究現狀進(jìn)行了總結，綜述該領(lǐng)域研究近30 年來(lái)取得的諸多突破性進(jìn)展。針對目前該領(lǐng)域的研究現狀及國家目標農業(yè)、能源和環(huán)境的戰略需求，建議加強以下幾個(gè)方面的研究部署：①光合膜蛋白復合體的結構與功能；②光合作用水裂解的機理；③光合膜蛋白的組裝及分子調控；④植物光信號的感知與應答；⑤植物光能利用與應用；⑥光合作用的人工模擬。

五

光致發(fā)光和發(fā)光分子材料主要介紹了外界光源激發(fā)發(fā)光體引起的發(fā)光現象及其研究的學(xué)科。光致發(fā)光材料不僅在傳統的照明、裝飾和顯示等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，還在諸多新興領(lǐng)域占據了不可或缺的地位，如熒光標記、分子探針、生物成像、激光和新一代照明與顯示等，在工農業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境、健康、國防等關(guān)系到國計民生的重要行業(yè)和領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用。內容涉及稀土配合物發(fā)光材料、過(guò)渡金屬配合物發(fā)光材料、聚集誘導（AIE）發(fā)光材料、半導體發(fā)光材料、量子點(diǎn)發(fā)光材料、長(cháng)余輝發(fā)光材料、LED 用熒光粉和有機-無(wú)機雜化發(fā)光材料八個(gè)方向。其共性核心科學(xué)問(wèn)題是如何深入揭示發(fā)光機理，優(yōu)化光致發(fā)光材料的發(fā)光性質(zhì)和綜合性能。目前，對于不同類(lèi)型的光致發(fā)光材料的研究處于不同的發(fā)展階段：稀土配合物發(fā)光材料、過(guò)渡金屬配合物發(fā)光材料和有機-無(wú)機雜化發(fā)光材料的基礎研究已經(jīng)達到國際前沿水平；量子點(diǎn)發(fā)光材料和LED 用熒光粉的研究已經(jīng)進(jìn)入應用攻關(guān)階段；亟待開(kāi)發(fā)新型半導體發(fā)光材料和長(cháng)余輝發(fā)光材料以開(kāi)拓新的應用領(lǐng)域；聚集誘導（AIE）發(fā)光材料的基礎和應用研究尚處于起步階段?？傮w來(lái)說(shuō)，我國在光致發(fā)光領(lǐng)域雖然取得了一定的成就，但基礎研究還有深入的空間，應用方面還有進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的潛能?，F階段該領(lǐng)域存在的主要問(wèn)題是：對于大多數光致發(fā)光材料，發(fā)光的機理雖然有普遍的認識，但是深度明顯不夠；材料的綜合性能還不能滿(mǎn)足市場(chǎng)需求；不具備大規模制備工藝。因此，建議未來(lái)主要從以下幾個(gè)方面加強研究：①注重基礎理論研究，深層次解讀各類(lèi)光致發(fā)光材料的發(fā)光機理，建立完善并成熟的理論以指導材料的設計和開(kāi)發(fā)；②開(kāi)發(fā)新型高效光致發(fā)光材料，開(kāi)拓新應用領(lǐng)域；③發(fā)展規?；苽洳呗?，降低成本；④以實(shí)際應用為導向，設計和優(yōu)化材料的結構與性能；⑤推動(dòng)實(shí)驗室與企業(yè)合作，共同探索光致發(fā)光材料的技術(shù)轉移和產(chǎn)業(yè)化模式。

六

光致變色材料涉及一類(lèi)光可逆性能調控的功能性光化學(xué)材料的研究。在特定光激發(fā)下進(jìn)行分子異構，并能夠在另一束光或其他外界響應（如熱）激發(fā)下重新回到初始狀態(tài)的分子材料均屬于光致變色材料范疇。在20 世紀50 年代提出“光致變色”概念之后的60 年間，光致變色材料經(jīng)歷了飛速的發(fā)展，從傳統的染料工業(yè)領(lǐng)域逐步拓展到前沿光化學(xué)研究和新功能材料應用研究領(lǐng)域。本書(shū)分別從光致變色分子與性質(zhì)、光致變色材料在各領(lǐng)域的應用和研究進(jìn)展兩個(gè)方面來(lái)介紹國內外光致變色的研究現狀，提出未來(lái)光致變色材料的研究需要實(shí)現“廣度”和“深度”的協(xié)同發(fā)展。廣度，即探索光致變色材料在新領(lǐng)域的應用（如生命科學(xué)研究），更大限度地發(fā)揮光致變色分子的潛力，開(kāi)發(fā)出更多適合用于日常生活及提升社會(huì )生產(chǎn)力的新材料；深度，則是針對在各領(lǐng)域應用研究中存在的問(wèn)題，進(jìn)一步研究材料光化學(xué)機理、提升現有體系的性能及拓展新的光致變色分子體系。在探究光致變色分子機理、實(shí)現性能和體系突破方面，力爭做到“理論聯(lián)系實(shí)際”，借助理論和計算化學(xué)的快速發(fā)展，建立更準確、通用的計算方法和模型，對光致變色分子設計與性能提供更準確、高效的預判。

七

太陽(yáng)能電池涉及通過(guò)光生伏打效應直接把光能轉化為電能裝置的研究。采用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉化為電能是解決能源問(wèn)題的重要途徑。雖然硅基太陽(yáng)能電池已經(jīng)實(shí)現規?；?a href='/shangye/' target=_blank>商業(yè)應用，但受材料、工藝及器件結構的限制，其效率進(jìn)一步提升和成本降低空間有限。開(kāi)發(fā)新型太陽(yáng)能電池及新型光伏材料具有重要的科學(xué)和應用意義，是當前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。書(shū)中介紹了染料敏化太陽(yáng)能電池、有機太陽(yáng)能電池、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和薄膜硅太陽(yáng)能電池四個(gè)方面，詳細闡述了這些領(lǐng)域的研究?jì)热?、發(fā)展現狀、存在的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展方向，并提出了學(xué)科發(fā)展建議。其中，染料敏化太陽(yáng)能電池目前的最高認證效率已經(jīng)達到11.9%，但其效率近年來(lái)沒(méi)有得到突破，遇到了發(fā)展瓶頸。建議加強該類(lèi)電池工作機理的基礎研究，重點(diǎn)發(fā)展柔性器件及其制備工藝，加大對新電池材料和新器件結構的創(chuàng )新性研究。有機太陽(yáng)能電池目前的光電轉化效率已經(jīng)超過(guò)12%，到了向大面積器件制備和實(shí)際應用發(fā)展的階段。我國在這方面的研究處于國際先進(jìn)水平。今后要發(fā)展新型光伏分子材料以進(jìn)一步提高電池性能，進(jìn)行大面積柔性透明電池制備工藝研究，闡明影響器件穩定性的機理以進(jìn)一步提高器件穩定性，并深入開(kāi)展器件物理方面的研究。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，近年來(lái)其效率實(shí)現了跨越式發(fā)展，認證效率已經(jīng)達到22.1%，奠定了其可能進(jìn)行商業(yè)化發(fā)展的基礎。為了實(shí)現該類(lèi)電池的大規模應用，必須解決其大面積制備及模塊化的問(wèn)題、電池的穩定性問(wèn)題及使用鉛帶來(lái)的毒性問(wèn)題。因此今后工作要加強電池結構、薄膜制備工藝、電池退化機制和替代鉛的鈣鈦礦光伏材料研究。薄膜硅太陽(yáng)能電池全球生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)能達到10 GW 以上，但其效率遠低于晶硅電池，無(wú)法與其展開(kāi)差異化競爭。因此書(shū)中建議應重點(diǎn)突破晶硅電池不能應用的柔性電池領(lǐng)域，擴展柔性電池在軍事及特殊民用領(lǐng)域的用途。同時(shí)需要加強硅基薄膜電池在實(shí)驗室的基礎研究，通過(guò)多結電池技術(shù)和提高襯底陷光等措施使其效率達到16%以上。此外，該領(lǐng)域所需關(guān)鍵生產(chǎn)設備和技術(shù)被國外壟斷，我國的生產(chǎn)線(xiàn)幾乎全部需要進(jìn)口，因此急需實(shí)現關(guān)鍵設備國產(chǎn)化，以降低成本，提高市場(chǎng)競爭力。

八

光驅動(dòng)分子機器涉及如何利用光能來(lái)驅動(dòng)由分子構成的微觀(guān)納米機器使之產(chǎn)生機械運動(dòng)的研究。2016 年，諾貝爾化學(xué)獎授予從事“分子機器”研究的三位科學(xué)家，這種將諾貝爾化學(xué)獎授予一個(gè)還處于基礎研究階段的研究領(lǐng)域的情況極其少見(jiàn)，說(shuō)明了分子機器具有一定潛在的應用前景。書(shū)中內容主要包括光驅動(dòng)互鎖分子機器和光驅動(dòng)分子馬達兩部分。核心問(wèn)題主要涉及驅動(dòng)原理、運動(dòng)方式及所實(shí)現的功能。到目前為止，光驅動(dòng)分子機器已經(jīng)在納米機械、藥物可控釋放，特別是分子器件領(lǐng)域顯示出重大的應用前景。但是，要使其走入實(shí)際應用，還需要解決如何提高光化學(xué)反應轉化效率、防止分子機器在固態(tài)條件下運轉受阻、分子機器之間如何通信、分子機器之間如何協(xié)調一致運轉等問(wèn)題。因此建議未來(lái)從以下幾個(gè)方面加強研究：①構建定向運動(dòng)的光驅動(dòng)分子機器，實(shí)現機械能輸出；②與電、熱、磁等領(lǐng)域進(jìn)行交叉，發(fā)展新型功能分子機器；③將光驅動(dòng)分子機器進(jìn)行材料化，對微觀(guān)運動(dòng)進(jìn)行放大，進(jìn)而實(shí)現特定功能。

綜上所述，光化學(xué)各分支學(xué)科具有鮮明的特色，但各分支學(xué)科同時(shí)存在共性的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。為了促進(jìn)光化學(xué)學(xué)科從基礎科學(xué)研究到應用研究的協(xié)調發(fā)展，建議未來(lái)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行光化學(xué)學(xué)科的布局：

（1）加強光化學(xué)各分支學(xué)科領(lǐng)域的基礎理論研究工作，以實(shí)現基礎科學(xué)的突破為起點(diǎn)，逐步建立較完善的理論體系，為高性能光化學(xué)材料體系的設計、構建及光化學(xué)反應轉化過(guò)程的實(shí)現奠定堅實(shí)的理論基礎。

（2）在基礎理論指導下，注重光化學(xué)核心材料的源頭創(chuàng )新研究，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的關(guān)鍵材料體系及其規?；苽浼夹g(shù)，并制定相應的規范和標準。

（3）以市場(chǎng)為導向，與工業(yè)領(lǐng)域交互，加強產(chǎn)學(xué)研相結合，吸引企業(yè)參與研發(fā)工作，將實(shí)驗室的研究成果轉化成可為國家能源、環(huán)境、健康、國防等領(lǐng)域做出實(shí)質(zhì)貢獻的產(chǎn)品和技術(shù)，真正造福于國家和人民。

（4）將光化學(xué)學(xué)科發(fā)展納入國家長(cháng)期發(fā)展規劃體系，加大對研發(fā)投入；建立切實(shí)可行的學(xué)科交叉研究合作交流的機制，促進(jìn)學(xué)科協(xié)同發(fā)展；此外，要加強光化學(xué)學(xué)科人才培養和人才隊伍結構優(yōu)化，重視基礎科研和工程技術(shù)研究骨干的培養。

本文摘編自中國科學(xué)院編《中國學(xué)科發(fā)展戰略·光化學(xué)》摘要部分，內容略有刪節改動(dòng)。

《中國學(xué)科發(fā)展戰略·光化學(xué)》

中國科學(xué)院　編

責任編輯：朱萍萍，李麗嬌

北京：科學(xué)出版社，2018.1

ISBN：978-7-03-054740-8

“中國學(xué)科發(fā)展戰略”叢書(shū)是中國科學(xué)院組織數百位院士專(zhuān)家聯(lián)合研究的系列成果，涉及自然科學(xué)各學(xué)科領(lǐng)域，是目前規模最大的學(xué)科發(fā)展戰略研究項目。

《中國學(xué)科發(fā)展戰略·光化學(xué)》全書(shū)共有八章，內容涵蓋有機光化學(xué)、能源光化學(xué)、環(huán)境光化學(xué)、光生物學(xué)、光致發(fā)光和發(fā)光分子材料、光致變色材料、太陽(yáng)能電池和光驅動(dòng)分子機器八個(gè)分支學(xué)科。全書(shū)針對各分支學(xué)科的特點(diǎn)介紹其研究對象及內容，分析評述了國內外研究現狀和發(fā)展趨勢，并針對我國在這些相關(guān)領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展提出了相關(guān)戰略建議及措施。

《中國學(xué)科發(fā)展戰略·光化學(xué)》適合高層次的戰略和管理專(zhuān)家、相關(guān)領(lǐng)域的高等院校師生、研究機構的研究人員閱讀，是科技工作者洞悉學(xué)科發(fā)展規律、把握前沿領(lǐng)域和重點(diǎn)方向的重要指南，也是科技管理部門(mén)重要的決策參考，同時(shí)也是社會(huì )公眾了解光化學(xué)學(xué)科發(fā)展現狀及趨勢的權威讀本。

（本期責編：小文）

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