我科學家“拍攝”到光生電荷轉移演化全時空圖像

陸成寬

太陽能高效利用是潔凈能源研究的科學“圣杯”。

10月12日，《自然》在線發表了一項關于太陽能光催化研究的重要進展。通過綜合集成多種可在時空尺度銜接的技術，中國科學院大連化學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移進行了全時空探測，在國際上首次“拍攝”到光生電荷轉移演化全時空圖像。

“這項研究為突破光解水催化劑電荷分離的‘瓶頸，提供了新的認識和研究策略。”李燦強調。

太陽能光催化反應可以實現分解水產生氫氣、還原二氧化碳產生太陽燃料，有望為實現“雙碳”目標提供重要的解決途徑，受到全世界關注。

“雖然在過去半個世紀的光催化研究中，人們在光催化劑制備和光催化反應研究方面做出了巨大努力，但由于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復雜性，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，催化劑內部會產生光生電荷，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部分離，并轉移到催化劑的表面，啟動化學反應。

光催化過程的核心科學挑戰在于如何實現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性。

“長期以來，我們團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移演化的全過程?！崩顮N說。

為更好地了解納秒范圍內光生電荷在催化劑內部的分離機制，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移過程，研究人員進行了瞬時光電壓分析，發現隨著時間尺度從納秒到微秒的發展，空穴逐漸出現在催化劑表面含有缺陷的晶面。

“通過集成結合多種先進的表征技術和理論模擬，包括時間分辨光發射顯微鏡、瞬態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中心的整個機制?！崩顮N說，時空追蹤電荷轉移的能力將極大促進對能源轉換過程中復雜機制的認識，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。

“這是基礎研究的重大突破。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，為我們的生產和生活提供清潔、綠色的能源。”李燦說。