我國科學(xué)家“拍攝”到光催化劑光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時(shí)空圖像

單個光催化粒子從飛秒（千萬億分之一秒）到秒光生電荷分離過程的全時(shí)空域原位動態(tài)圖像。（中科院大連化物所供圖）

太陽光是一種豐富的可再生能源，通過和光催化劑發(fā)生作用，可以催化分解水產(chǎn)生氫氣，以及還原二氧化碳產(chǎn)生太陽燃料（太陽能、水和含碳化合物轉(zhuǎn)化的燃料）。我國科學(xué)家近期“拍攝”到光催化劑光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時(shí)空圖像，為突破太陽能光催化反應(yīng)瓶頸、更加高效利用太陽能提供了新的認(rèn)識和研究策略。

記者從中國科學(xué)院獲悉，該研究由中科院大連化物所李燦院士、范峰滔研究員等完成，相關(guān)成果12日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。

由于太陽能光催化反應(yīng)在清潔能源生產(chǎn)中的巨大應(yīng)用潛力，國內(nèi)外科學(xué)家多年來在該領(lǐng)域開展了大量研究。然而，光激發(fā)產(chǎn)生的電荷是如何分離、轉(zhuǎn)移和參與化學(xué)反應(yīng)的？長期以來，這一關(guān)鍵過程的基礎(chǔ)科學(xué)問題并不明晰。

“光催化過程中，光生電子和空穴需要從微納米顆粒內(nèi)部分離，并轉(zhuǎn)移到催化劑的表面，從而啟動化學(xué)反應(yīng)?！狈斗逄辖榻B，由于這一過程跨越從飛秒到秒、從原子到微米的復(fù)雜時(shí)空尺度，揭開這一過程的微觀機(jī)制極具挑戰(zhàn)性。

此項(xiàng)研究中，科研人員綜合集成多種可在時(shí)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(jìn)行全時(shí)空探測，首次在一個光催化劑顆粒中跟蹤了電子和空穴到表面反應(yīng)中心的整個機(jī)制。他們還明確了電荷分離機(jī)制與光催化分解水效率之間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)。

“時(shí)空追蹤電荷轉(zhuǎn)移的能力將極大促進(jìn)對能源轉(zhuǎn)換過程中復(fù)雜機(jī)制的認(rèn)識，為理性設(shè)計(jì)性能更優(yōu)的光催化劑提供了新的思路和研究方法?！崩顮N說，該成果有望促進(jìn)太陽能光催化分解水制取太陽燃料在實(shí)際生活中的應(yīng)用，提供更多清潔、綠色的能源。