中新網北京10月12日電 (記者 孫自法) 如何高效利用清潔無污染的太陽能，一直是全世界科學家孜孜以求的目標。其中，太陽能光催化反應可以實現分解水產生氫氣、氧氣和還原二氧化碳產生太陽燃料的過程與機制，即光催化反應中光生電荷的分離、轉移和參與化學反應的時空復雜性，這一基礎和關鍵核心問題此前長期成謎待解。

(資料圖)

“拍攝”到光生電荷轉移演化全時空圖像

中國科學院大連化學物理研究所(中科院大連化物所)太陽能研究部李燦院士、范峰滔研究員等歷時20多年努力，通過他們自主研制的一系列精密“照相機”和攻克的先進“成像”技術，最新完成對光催化劑納米顆粒的光生電荷轉移進行全時空探測，揭示出復雜的多重電荷轉移機制，并在國際上首次“拍攝”到光生電荷轉移演化全時空圖像。

由中國科學家率先明確光生電荷分離機制與光催化分解水效率之間本質關聯、揭開太陽能光催化反應關鍵謎團的這項重要科研成果論文，北京時間10月12日夜間在國際著名學術期刊《自然》上線發表。

前幾年，科學家成功“拍攝”到黑洞照片，是人類認知宏觀宇宙的一項重大進展。此次中科院團隊“拍攝”到納米顆粒光生電荷轉移影像，則是對微觀世界觀測和利用的更進一步，可為突破太陽能光催化反應的“瓶頸”提供新的認識和研究策略，并有望促進太陽能光催化分解水制取太陽燃料由理論走向實際應用。

為設計更優光催化劑提供新思路和方法

李燦院士指出，光催化分解水的核心科學挑戰在于如何實現高效的光生電荷的分離和傳輸，由于這一過程跨越從飛秒(一千萬億分之一秒)到秒、從原子到微米的巨大時空尺度，揭開這一全過程的微觀機制極具挑戰性。2000年以來，研究團隊前赴后繼致力于解決太陽能催化分解水制氫這一世界難題，集成多種先進技術和理論，成功在時空全域追蹤光生電荷在納米顆粒中分離和轉移演化的全過程。

范峰滔研究員介紹說，光催化過程中，光生電子和空穴需要從微納米顆粒內部分離，并轉移到催化劑的表面，從而啟動化學反應。在如此微小的物理尺度上，光催化劑往往缺乏分離電荷所需的驅動力，因此，實現高效的電荷分離需要一個有效的電場。為了在光催化劑顆粒中形成一個定向重排的電場，研究團隊將一種特定的缺陷結構選擇性地合成到顆粒的特定晶面，有效促進了電荷的分離。

為更好了解納秒(十億分之一秒)范圍內高效電荷分離機制，研究團隊使用時間分辨光發射電子顯微鏡發現，光生電子在亞皮秒(一皮秒等于一萬億分之一秒)時間尺度就可以選擇性的轉移到特定晶面區域，電子在超快的時間尺度上可以從一個表面移動到另一個表面。隨后，為直接觀察電荷轉移過程，研究團隊進行瞬時光電壓分析，發現隨著時間尺度從納秒到微秒(一百萬分之一秒)的發展，空穴逐漸出現在含有缺陷的晶面。

范峰滔認為，綜合來看，這項研究表明，晶面上光生電子和空穴的有效空間分離是由時空各向異性的電荷轉移機制共同決定，該復雜機制可以通過各向異性晶面和缺陷結構來可控的調整。

李燦表示，研究團隊通過自主研發的時間分辨光發射顯微鏡(飛秒到納秒)、瞬態表面光電壓光譜(納秒到微秒)和表面光電壓顯微鏡(微秒到秒)等系列先進“照相機”設備，像接力賽一樣，國際上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中心的整個機制，并首次“拍攝”到光生電荷轉移演化全時空圖像。這項時空追蹤電荷轉移的能力將極大促進對能源轉換過程中復雜機制的認識，為理性設計性能更優的光催化劑提供新的研究思路和方法。

提高太陽能轉化效率或致世界能源格局巨變

“人類從綠葉的自然光合作用中得到靈感，開發了高效的人工光合體系，人工光合體系的光催化劑捕獲太陽光，將水分解為氫氣和氧氣，氫氣可以為氫能汽車提供零污染的動力，還可以同二氧化碳共同生產清潔燃料。”

論文共同第一作者、中科院大連化物所太陽能研究部陳若天副研究員和分子反應動力學研究室任澤峰研究員科普解讀最新研究成果說，“我們需要找到一種好的半導體材料去吸收更多太陽光，同時對這種半導體材料進行一定功能化設計，以實現高效的光催化分解水產氫產氧”。

他們指出，要實現這些目標，需要在微觀層次上進行更深入的探究，并在制備技術上實現更有效的突破，光生電荷分離是太陽光化學能轉化的一個非常關鍵的步驟，研究團隊利用研發并綜合集成多種可在時空尺度銜接的技術，實現從微米、納米層次去直接觀測到光激發條件下，電子和空穴是如何分布和進行化學反應，從而在理解光生電荷的產生和傳輸的基礎上，可將有催化活性的納米粒子負載在半導體材料的特定功能區域，借助例如原子層沉積等先進合成技術，精確控制催化劑生長。

李燦表示，太陽能是地球上萬物生長的能源，只要取得其萬分之一的能量，就可以解決人類在地球上每年消耗的各種能源之和。“我們為什么不盡快把太陽能利用起來呢？主要是利用太陽能的效率還很低，所以現在全世界科學家主攻的一個方向，就是怎么提高太陽能轉化成人類利用的化學能、電能的效率，一旦效率問題能夠得到解決，太陽能將引起整個世界能源格局的巨大變化”。

他說，太陽能轉化氫能的效率已由20世紀70年代極低的效率提高到目前約1.5%，達到5%即可進行中試，達到10%就可以工業化應用。該效率的突破是科研領域難以預測的“黑馬”，估計5年左右有望提高到10%。

“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用，讓夢想逐漸變為現實，為我們的生產和生活提供清潔、綠色的能源。”李燦說。