陸成寬

太陽能高效利用是潔凈能源研究的科學(xué)“圣杯”。

10月12日，《自然》在線發(fā)表了一項關(guān)于太陽能光催化研究的重要進(jìn)展。通過綜合集成多種可在時空尺度銜接的技術(shù)，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士、范峰滔研究員等科研人員，對光催化劑納米顆粒的光生電荷轉(zhuǎn)移進(jìn)行了全時空探測，在國際上首次“拍攝”到光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時空圖像。

“這項研究為突破光解水催化劑電荷分離的‘瓶頸，提供了新的認(rèn)識和研究策略?！崩顮N強調(diào)。

太陽能光催化反應(yīng)可以實現(xiàn)分解水產(chǎn)生氫氣、還原二氧化碳產(chǎn)生太陽燃料，有望為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供重要的解決途徑，受到全世界關(guān)注。

“雖然在過去半個世紀(jì)的光催化研究中，人們在光催化劑制備和光催化反應(yīng)研究方面做出了巨大努力，但由于光催化反應(yīng)中光生電荷的分離、轉(zhuǎn)移和參與化學(xué)反應(yīng)的時空復(fù)雜性，人們對該過程的基本機制一直不清楚?！崩顮N坦言。

光催化過程中，光照射到催化劑上時，催化劑內(nèi)部會產(chǎn)生光生電荷，即光生電子和空穴。光生電子和空穴需要從微納米的催化劑顆粒內(nèi)部分離，并轉(zhuǎn)移到催化劑的表面，啟動化學(xué)反應(yīng)。

光催化過程的核心科學(xué)挑戰(zhàn)在于如何實現(xiàn)光生電荷的高效分離和傳輸。由于這一過程跨越從飛秒到秒、從原子到微米的巨大時空尺度，揭開這一過程的微觀機制極具挑戰(zhàn)性。

“長期以來，我們團(tuán)隊一直在致力于解決這一問題。在這項研究中，我們在時空全域追蹤了光生電荷在光催化劑納米顆粒中分離和轉(zhuǎn)移演化的全過程?！崩顮N說。

為更好地了解納秒范圍內(nèi)光生電荷在催化劑內(nèi)部的分離機制，研究人員使用了時間分辨光發(fā)射電子顯微鏡，發(fā)現(xiàn)了光生電子在亞皮秒時間尺度可以從一個表面移動到另一個表面。

隨后，為了直接觀察光生電荷的轉(zhuǎn)移過程，研究人員進(jìn)行了瞬時光電壓分析，發(fā)現(xiàn)隨著時間尺度從納秒到微秒的發(fā)展，空穴逐漸出現(xiàn)在催化劑表面含有缺陷的晶面。

“通過集成結(jié)合多種先進(jìn)的表征技術(shù)和理論模擬，包括時間分辨光發(fā)射顯微鏡、瞬態(tài)表面光電壓光譜和表面光電壓顯微鏡等，像接力賽一樣，第一次在一個光催化劑顆粒中跟蹤電子和空穴到表面反應(yīng)中心的整個機制?！崩顮N說，時空追蹤電荷轉(zhuǎn)移的能力將極大促進(jìn)對能源轉(zhuǎn)換過程中復(fù)雜機制的認(rèn)識，為理性設(shè)計性能更優(yōu)的光催化劑提供了新的思路和研究方法。

“這是基礎(chǔ)研究的重大突破。未來，這個成果有望促進(jìn)太陽能光催化分解水制取太陽燃料在實際生活中的應(yīng)用，讓夢想逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實，為我們的生產(chǎn)和生活提供清潔、綠色的能源?！崩顮N說。