中國網/中國發展門戶網訊 （記者 王振紅）太陽能光催化反應可以實現分解水産生氫氣、還原二氧化碳産生太陽燃料，是科學領域“聖杯”式的課題，受到全世界關注。雖然在過去半個世紀的光催化研究中，人們在光催化劑製備和光催化反應研究方面做出了巨大的努力，但由於光催化反應中光生電荷的分離、轉移和參與化學反應的時空複雜性，人們對該過程的基本機制一直不清楚。
日前，這個謎團被中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）太陽能研究部李燦院士、范峰滔研究員等揭開了。研究人員綜合整合多種可在時空尺度銜接的技術，對光催化劑奈米顆粒的光生電荷轉移進行全時空探測，揭示了複雜的多重電荷轉移機制，“拍攝”到光生電荷轉移演化全時空影像。他們明確了電荷分離機制與光催化分解水效率之間的本質關聯，為突破太陽能光催化反應的“瓶頸”提供了新的認識和研究策略。相關研究成果于10月12日在國際學術期刊《自然》上發表，第一作者為大連化物所太陽能研究部陳若天副研究員和分子反應動力學研究室任澤峰研究員。
圖：單個光催化粒子從飛秒到秒光生電荷分離過程的全時空域原位動態“影像”拍攝
光催化分解水的核心科學挑戰在於如何實現高效的光生電荷的分離和傳輸。由於這一過程跨越從飛秒到秒、從原子到微米的巨大時空尺度，揭開這一全過程的微觀機制極具挑戰性。“長期以來，我們的團隊前赴後繼一直在致力於解決這一問題，在這個工作中，整合多种先進技術和理論，我們在時空全域追蹤了光生電荷在奈米顆粒中分離和轉移演化的全過程。”李燦院士説。
李燦院士（中），范峰滔研究員（左）和陳若天副研究員（右）在儀器前討論信號分析問題
光催化過程中，光生電子和空穴需要從微奈米顆粒內部分離，並轉移到催化劑的表面，從而啟動化學反應。據范峰滔介紹，在如此微小的物理尺度上，光催化劑往往缺乏分離電荷所需的驅動力，因此，實現高效的電荷分離需要一個有效的電場。為了在光催化劑顆粒中形成一個定向重排的電場，科研人員將一種特定的缺陷選擇性地合成到顆粒的特定晶面，有效促進了電荷的分離。
范峰滔研究員（左）和陳若天副研究員（右）討論光路設計方案
為了更好地了解納秒範圍內高效電荷分離機制，研究人員使用了時間分辨光發射電子顯微鏡，發現了光生電子在亞皮秒時間尺度就可以選擇性的轉移到特定晶面區域，電子在超快的時間尺度上可以從一個表面移動到另一個表面。
“長期以來光催化中的主導電荷分離機制很難解釋跨越如此大空間尺度超快電荷轉移。”范峰滔説，“我們將超快的電荷轉移歸因于新的彈道傳輸機制，其中載流子以極高的速度傳播，在與晶格發生作用之前就已經跨越了整個粒子。”
范峰滔研究員在調試表面光電壓成像儀器
隨後，為了直接觀察電荷轉移過程，研究人員進行了暫態光電壓分析，發現隨著時間尺度從納秒到微秒的發展，空穴逐漸出現在含有缺陷的晶面。
科研人員在調試表面光電壓成像儀器
綜合來看，這項研究表明，晶面上光生電子和空穴的有效空間分離是由於時空各向異性的電荷轉移機制共同決定的，該複雜機制可以通過各向異性晶面和缺陷結構來可控的調整。
“通過整合結合多种先進的表徵技術和理論模擬，包括時間分辨光發射顯微鏡（飛秒到納秒）、瞬態表面光電壓光譜（納秒到微秒）和表面光電壓顯微鏡（微秒到秒）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中心的整個機制。"李燦説，“時空追蹤電荷轉移的能力將極大促進對能源轉換過程中複雜機制的認識，為理性設計性能更優的光催化劑提供了新的思路和研究方法。”
“未來，這個成果有望促進太陽能光催化分解水制取太陽燃料在實際生活中的應用，讓夢想逐漸變為現實，為我們的生産和生活提供清潔、綠色的能源。”李燦説。
該項工作得到國家自然科學基金委“人工光合成”基礎科學中心項目、中國科學院穩定支援基礎研究領域青年團隊計劃、國家重點研發計劃以及大連化學物理研究所創新基金等項目的資助。