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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——這將為獲取清潔能源打開新路。但半個多世紀以來，對該過程的基本機制一直不清楚。

如今，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”）李燦院士、范峰滔研究員等揭開了——研究人員綜合集成多種可在時空尺度銜接的技術(shù)，對光催化劑納米顆粒的光生電荷轉(zhuǎn)移進行全時空探測，揭示了復(fù)雜的多重電荷轉(zhuǎn)移機制，“拍攝”到光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時空影像。

“眼見為實”的證據(jù)使科學家們明確了電荷分離機制與光催化分解水效率之間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)，為突破太陽能光催化反應(yīng)的“瓶頸”提供了新的認識和研究策略。相關(guān)研究成果于10月12日發(fā)表在國際學術(shù)期刊《自然》上。

李燦介紹，光催化分解水的核心科學挑戰(zhàn)在于如何實現(xiàn)高效的光生電荷的分離和傳輸，“由于這個過程跨越從飛秒到秒、從原子到微米的巨大時空尺度，使揭開這一全過程的微觀機制極具挑戰(zhàn)性”。

為了揭開這個奧秘，研究團隊集成了多種先進的表征技術(shù)和理論模擬。范峰滔介紹，比如，為了實現(xiàn)高效的電荷分離，科研人員將一種特定的缺陷結(jié)構(gòu)選擇性地合成到顆粒的特定晶面，形成了一個定向重排的電場；為了更好地了解納秒范圍內(nèi)高效電荷分離機制，研究人員使用了時間分辨光發(fā)射電子顯微鏡；隨后，研究人員利用瞬時光電壓分析電荷轉(zhuǎn)移過程，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)在含有缺陷結(jié)構(gòu)的晶面。

就這樣，研究人員“拍攝”到了微觀世界的長鏡頭，揭開了光解水催化劑的奧秘。“像接力賽一樣，我們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對能源轉(zhuǎn)換過程中復(fù)雜機制的認識，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?！?/p>

李燦說：“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(yīng)用，為我們的生產(chǎn)和生活提供清潔、綠色的能源?！保ㄓ浾啐R芳）