太陽(yáng)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(xiàn)發(fā)表了一項關(guān)于太陽(yáng)能光催化研究的重要進(jìn)展。通過(guò)綜合集成多種可在時(shí)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移進(jìn)行了全時(shí)空探測，在國際上首次“拍攝”到光生電荷轉移演化全時(shí)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?！崩顮N強調。
太陽(yáng)能光催化反應可以實(shí)現分解水產(chǎn)生氫氣、還原二氧化碳產(chǎn)生太陽(yáng)燃料，有望為實(shí)現“雙碳”目標提供重要的解決途徑，受到全世界關(guān)注。
“雖然在過(guò)去半個(gè)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(xué)反應的時(shí)空復雜性，人們對該過(guò)程的基本機制一直不清楚?！崩顮N坦言。
光催化過(guò)程中，光照射到催化劑上時(shí)，催化劑內部會(huì )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部分離，并轉移到催化劑的表面，啟動(dòng)化學(xué)反應。
光催化過(guò)程的核心科學(xué)挑戰在于如何實(shí)現光生電荷的高效分離和傳輸。由于這一過(guò)程跨越從飛秒到秒、從原子到微米的巨大時(shí)空尺度，揭開(kāi)這一過(guò)程的微觀(guān)機制極具挑戰性。
“長(cháng)期以來(lái)，我們團隊一直在致力于解決這一問(wèn)題。在這項研究中，我們在時(shí)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(guò)程?！崩顮N說(shuō)。
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(shí)間分辨光發(fā)射電子顯微鏡，發(fā)現了光生電子在亞皮秒時(shí)間尺度可以從一個(gè)表面移動(dòng)到另一個(gè)表面。
隨后，為了直接觀(guān)察光生電荷的轉移過(guò)程，研究人員進(jìn)行了瞬時(shí)光電壓分析，發(fā)現隨著(zhù)時(shí)間尺度從納秒到微秒的發(fā)展，空穴逐漸出現在催化劑表面含有缺陷的晶面。
“通過(guò)集成結合多種先進(jìn)的表征技術(shù)和理論模擬，包括時(shí)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(gè)光催化劑顆粒中跟蹤電子和空穴到表面反應中心的整個(gè)機制?！崩顮N說(shuō)，時(shí)空追蹤電荷轉移的能力將極大促進(jìn)對能源轉換過(guò)程中復雜機制的認識，為理性設計性能更優(yōu)的光催化劑提供了新的思路和研究方法。
“這是基礎研究的重大突破。未來(lái)，這個(gè)成果有望促進(jìn)太陽(yáng)能光催化分解水制取太陽(yáng)燃料在實(shí)際生活中的應用，讓夢(mèng)想逐漸變?yōu)楝F實(shí)，為我們的生產(chǎn)和生活提供清潔、綠色的能源?！崩顮N說(shuō)。（陸成寬）
