我国 “拍摄”到光催化电荷转移全时空图，揭示了复杂的多重电荷转移机制

　　在解决太阳能催化分解水制氢这一世界性难题的道路上，中国科学家又进了一步。 记者从中科院大连化学物理研究所获悉，该研究所李灿院士、范峰滔天研究员综合多项时空尺度耦合技术，对光催化剂纳米粒子的光电荷迁移进行了全时空探测，揭示了复杂的多重电荷迁移机制，“拍摄”了光电荷迁移演化的全时空图像。

　　该研究成果论文于10月12日深夜在国际学术杂志《自然》上发表。 研究揭示了电荷分离机理与光催化降解水效率的本质联系，为突破太阳能光催化反应的“瓶颈”提供了新的认识和研究策略。

　　小组成员讨论光路设计方案。 中国科学院大连化学物理研究所供应图

　　光催化反应可以分解水产生氢气，还原二氧化碳产生太阳燃料，是科学领域的重要课题，受到全世界的关注。 在过去半个世纪的光催化研究中，人们在光催化制备和光催化反应研究方面付出了巨大努力，但由于光催化反应中光生电荷分离、转移和参与化学反应的时空复杂性，该过程的基本机制一直不清楚。

　　如今，这个谜题已由李灿、范峰滔等人揭开。

　　李灿介绍，光催化降解水的核心科学挑战是如何实现高效的光生电荷分离和传输。 由于这一过程跨越了从飞秒到秒、原子到微米的巨大时空尺度，要弄清这一全过程的微观机制非常困难。

　　“长期以来，我们的团队作为继承人致力于解决这个问题。 在这项工作中，综合了许多先进的技术和理论，我们在整个时空范围内追踪了光生电荷在纳米粒子中分离、转移演化的全过程。 ”李灿说。

　　研究论文部篇作者图片，左起范峰滔、李灿、陈若天。 中国科学院大连化学物理研究所供应图

　　范峰滔说，在光催化过程中，光生电子和空穴需要从微纳米粒子内的部中分离出来，迁移到催化剂表面，开始化学反应。 在这种微小的物理尺度下，光催化剂往往缺乏用于分离电荷的驱动力，因此需要有效的电场才能实现有效的电荷分离。 为了在光催化剂颗粒中形成定向位错电场，科研人员在颗粒的特定晶面上选择性合成了特定的缺陷结构，有效地促进了电荷的分离。

　　他告诉记者，为了更好地理解纳秒范围内高效的电荷分离机制，研究人员利用时间分辨光发射电子显微镜发现，光电子在亚皮秒时间尺度上选择性地迁移到特定的晶面区域，电子可以从超高速时间尺度上的表面迁移到另一表面。“长期以来，光催化剂中的主导电荷分离机制很难解释电荷越过如此大的空间尺度超高速移动。 ”范峰滔说，“我们把超高速的电荷转移归因于新的弹道传输机制，在内置电场的加速下，其中载流子以极高的速度传播，在与晶格作用之前越过了整个粒子。”

　　然后为了直接观察电荷转移过程，进行了瞬态光电压分析，发现随着从纳秒到微秒时间尺度的发展，空穴逐渐出现在含缺陷的晶面上。

　　研究表明，晶面上光电子和空穴的有效空间离是由时空各向异性的电荷转移机制共同决定的，这一复杂机制可以受各向异性晶面和缺陷结构的可控调整。

　　单个光催化剂粒子从飞秒到秒的光电荷分离过程的全时空域原位动态图像。 中国科学院大连化学物理研究所供应图

　　“时间分辨发光显微镜(飞秒至纳秒)、瞬态表面电压谱(纳秒至微秒)、表面电压显微镜(微秒) )等多种先进的表征技术和理论模拟综合起来，如同接力赛一样，初”李灿说，“时空跟踪电荷转移的能力极大地促进了人们对能量转换过程中复杂机制的认识，为合理设计性能更好的光催化剂提供了新思路和研究方法。

　　他告诉记者，未来这一成果有望促进太阳能光催化降解水制太阳能燃料在实际生活中的应用，使梦想逐渐成为现实，为人们的生产和生活提供清洁、绿色的能源。

　　据介绍，该成果论文第一作者是中国科学院大连化物所太阳能研究部陈若天副研究员和分子反应动力学研究室任泽峰研究员。 该研究得到了国家自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心项目、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家重点研发计划以及大连化学物理研究所创新基金等项目的资助。