国际第一次！大连化学物理研究所院士、范研究员《Nature》:如何高效利用清洁无污染的太阳能从“拍”到光生电荷转移演化一直是世界各国科学家追求的目标。其中，太阳能光催化反应可以实现分解水产生氢气、氧气和还原二氧化碳产生太阳能燃料的过程和机理，即光催化反应中光生电荷的分离和转移以及参与化学反应的时空复杂性。这个基础而关键的核心问题，长期以来都是一个待解之谜。
中国科学院大连化学物理研究所范(左)研究员和陈若天副研究员讨论光路设计方案。中国科学院大连化学材料研究所供图
中国科学院大连化学物理研究所(中国科学院大连化学物理研究所)太阳能研究部院士和范研究员经过20多年的努力，通过他们自主研发的一系列精密相机和克服的先进成像技术，他们最近完成了对光催化剂纳米粒子光生电荷转移的全时探测，揭示了复杂的多重电荷转移机制，并在国际上首次拍摄到光生电荷转移演化的全时图像。
我国科学家率先阐明了光生电荷分离机制与光催化分解水效率的本质关系，揭开了太阳能光催化反应的关键奥秘。这篇重要的科研论文于北京时间10月12日夜发表在国际著名学术期刊《自然》上。
Src=src=单个光催化颗粒从飞秒到秒的光生电荷分离过程的全时间空间原位动态图像拍摄。中国科学院大连化学材料研究所供图
几年前，科学家成功拍摄到黑洞，这是人类对宏观宇宙认知的重大进步。此次中科院团队捕捉到的纳米粒子光生电荷转移图像，是对微观世界的进一步观察和利用。可为突破太阳能光催化反应瓶颈提供新的认识和研究策略，有望推动太阳能光催化分解水制取太阳能燃料从理论走向实际应用。
Src=研究成果部分作者范、陈若天(从左至右)在中科院大连化物所实验室合影。中国科学院大连化学材料研究所供图
李灿院士指出，光催化分解水的核心科学挑战在于如何实现光生电荷的高效分离和传输。由于这一过程跨越了从飞秒(千分之一秒)到秒、从原子到微米的巨大时空尺度，揭开这一整个过程的微观机制极具挑战性。自8年以来，研究团队一直致力于解决太阳能催化水制氢这一世界难题，集成了多种先进技术和理论，成功跟踪了光生电荷在纳米粒子中分离、转移和演化的全过程。
范研究员说，在光催化过程中，光生电子和空穴需要从微纳米颗粒内部分离出来，转移到催化剂表面，从而开始化学反应。在如此微小的物理尺度上，光催化剂往往缺乏分离电荷所需的驱动力，因此需要有效的电场来实现高效的电荷分离。为了在光催化剂颗粒中形成定向重排电场，研究团队选择性地将特定的缺陷结构合成到颗粒的特定晶面上，有效地促进了电荷的分离。
为了更好地理解纳秒(十亿分之一秒)内高效电荷分离的机制，研究团队利用时间分辨光发射电子显微镜发现，光生电子可以在亚皮秒(一皮秒等于十亿分之一秒)时间内选择性转移到特定晶面区域
范认为，综合来看，本研究表明，光生电子和空穴在晶面上的有效空间分离是由时空各向异性的电荷转移机制决定的，而这种复杂的机制可以通过各向异性晶面和缺陷结构进行可控调节。
李灿说，研究团队像接力赛一样，通过自主研发的时间分辨光发射显微镜(飞秒到纳秒)、瞬态表面光电压谱(纳秒到微秒)、表面光电压显微镜等一系列先进摄像设备，在国际上首次追踪到一个光催化剂颗粒中电子和空穴向表面反应中心运动的整个机制，首次拍摄到光生电荷转移演化的全程图像。这种在时间和空间上追踪电荷转移的能力，将极大地促进对能量转换过程中复杂机理的理解，为合理设计性能更好的光催化剂提供新的研究思路和方法。
受人类绿叶自然光合作用的启发，开发了高效的人工光合作用系统。人工光合作用系统的光触媒捕捉阳光，将水分解成氢气和氧气。氢气可以为氢动力汽车提供零污染动力，还可以与二氧化碳联产清洁燃料。
论文的共同第一作者、中科院大连化物所太阳能研究部副研究员陈若天和分子反应动力学研究室研究员任泽锋对最新研究成果进行了科普解读，称我们需要找到一种好的半导体材料来吸收更多的太阳光，同时对这种半导体材料进行功能化设计，实现高效光催化分解水中氢气产生氧气。
中国科学院大连化学物理研究所院士(中)、范研究员(左)、陈若天副研究员在仪器前讨论信号分析。中国科学院大连化学材料研究所供图
他们指出，为了实现这些目标，需要在微观层面进行更深入的探索，在制备技术上实现更有效的突破。光生电荷分离是太阳光化学能量转换中非常关键的一步。研究团队使用研发；d和多种技术的全面集成，这些技术可以在时间和空间尺度上连接起来，从微观和纳米层面直接观察电子和空穴在光激发条件下是如何分布和发生化学反应的。因此，在了解光生电荷产生和传输的基础上，可以在半导体材料的特定功能区域负载具有催化活性的纳米粒子，借助原子层沉积等先进的合成技术精确控制催化剂的生长。
李灿说，太阳能是地球上万物生长的能量，只要获得它的万分之一的能量，就可以解决地球上人类每年消耗的各种能量的总和。我们为什么不尽快利用太阳能呢？太阳能的利用效率还很低，所以现在全世界的科学家都在关注如何提高太阳能转化为化学能和电能供人类使用的效率。一旦效率问题得以解决，太阳能将引起整个世界能源格局的巨大变化。
中国科学院大连化学物理研究所范研究员正在调试表面光电压成像仪。中国科学院大连化学材料研究所供图
他说，太阳能转化为氢能的效率已经从上世纪70年代的极低效率提高到目前的1.5%左右。达到5%就可以中试，达到10%就可以工业化应用。这种效率上的突破是科研领域不可预测的黑马，有望在5年左右提升到10%。
未来，这一成果有望推动太阳能光催化分解水在现实生活中的应用，制造太阳能燃料，让我们的梦想逐步实现，为我们的生产生活提供清洁绿色的能源。李灿说。
