我科學家揭示光催化分解水過程

本報北京10月12日電（記者齊芳） 太陽能光催化反應可以實現分解水產生氫氣、還原二氧化碳、產生太陽燃料——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、範峯滔研究員等揭開了——研究人員綜合集成多種可在時空尺度銜接的技術，對光催化劑納米顆粒的光生電荷轉移進行全時空探測，揭示了複雜的多重電荷轉移機制，“拍攝”到光生電荷轉移演化全時空影像。

“眼見為實”的證據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關聯，為突破太陽能光催化反應的“瓶頸”提供了新的認識和研究策略。相關研究成果於10月12日發表在國際學術期刊《自然》上。

李燦介紹，光催化分解水的核心科學挑戰在於如何實現高效的光生電荷的分離和傳輸，“由於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性”。

為了揭開這個奧秘，研究團隊集成了多種先進的表徵技術和理論模擬。範峯滔介紹，比如，為了實現高效的電荷分離，科研人員將一種特定的缺陷結構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；為了更好地瞭解納秒範圍內高效電荷分離機制，研究人員使用了時間分辨光發射電子顯微鏡；隨後，研究人員利用瞬時光電壓分析電荷轉移過程，發現隨着時間尺度從納秒到微秒的發展，空穴逐漸出現在含有缺陷結構的晶面。

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中心的整個機制。”李燦説，“時空追蹤電荷轉移的能力將極大促進對能源轉換過程中複雜機制的認識，為理性設計性能更優的光催化劑提供了新的思路和研究方法。”

李燦説：“未來，這個成果有望促進太陽能光催化分解水製取太陽燃料在實際生活中的應用，為我們的生產和生活提供清潔、綠色的能源。”