国际首次！中国科学家“拍摄”到光生电荷转移演化全时空图像

单个光催化粒子从飞秒到秒光生电荷分离过程的全时空域原位动态“影像”拍摄。　中科院大连化物所 供图

如何高效利用清洁无污染的太阳能，一直是全世界科学家孜孜以求的目标。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燃料的过程与机制，即光催化反应中光生电荷的分离、转移和参与化学反应的时空复杂性，这一基础和关键核心问题此前长期成谜待解。

中科院大连化物所范峰滔研究员(左)和陈若天副研究员讨论光路设计方案。　中科院大连化物所 供图

“拍摄”到光生电荷转移演化全时空图像

中国科学院大连化学物理研究所(中科院大连化物所)太阳能研究部李灿院士、范峰滔研究员等历时20多年努力，通过他们自主研制的一系列精密“照相机”和攻克的先进“成像”技术，最新完成对光催化剂纳米颗粒的光生电荷转移进行全时空探测，揭示出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全时空图像。

由中国科学家率先明确光生电荷分离机制与光催化分解水效率之间本质关联、揭开太阳能光催化反应关键谜团的这项重要科研成果论文，北京时间10月12日夜间在国际著名学术期刊《自然》上线发表。

前几年，科学家成功“拍摄”到黑洞照片，是人类认知宏观宇宙的一项重大进展。此次中科院团队“拍摄”到纳米颗粒光生电荷转移影像，则是对微观世界观测和利用的更进一步，可为突破太阳能光催化反应的“瓶颈”提供新的认识和研究策略，并有望促进太阳能光催化分解水制取太阳燃料由理论走向实际应用。

研究成果论文部分作者范峰滔、李灿、陈若天(从左至右)在中科院大连化物所实验室合影。　中科院大连化物所 供图

为设计更优光催化剂提供新思路和方法

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高效的光生电荷的分离和传输，由于这一过程跨越从飞秒(一千万亿分之一秒)到秒、从原子到微米的巨大时空尺度，揭开这一全过程的微观机制极具挑战性。2000年以来，研究团队前赴后继致力于解决太阳能催化分解水制氢这一世界难题，集成多种先进技术和理论，成功在时空全域追踪光生电荷在纳米颗粒中分离和转移演化的全过程。

范峰滔研究员介绍说，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，并转移到催化剂的表面，从而启动化学反应。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，实现高效的电荷分离需要一个有效的电场。为了在光催化剂颗粒中形成一个定向重排的电场，研究团队将一种特定的缺陷结构选择性地合成到颗粒的特定晶面，有效促进了电荷的分离。

为更好了解纳秒(十亿分之一秒)范围内高效电荷分离机制，研究团队使用时间分辨光发射电子显微镜发现，光生电子在亚皮秒(一皮秒等于一万亿分之一秒)时间尺度就可以选择性的转移到特定晶面区域，电子在超快的时间尺度上可以从一个表面移动到另一个表面。随后，为直接观察电荷转移过程，研究团队进行瞬时光电压分析，发现随着时间尺度从纳秒到微秒(一百万分之一秒)的发展，空穴逐渐出现在含有缺陷的晶面。

中科院大连化物所科研人员在调试表面光电压成像仪器。　中科院大连化物所 供图

范峰滔认为，综合来看，这项研究表明，晶面上光生电子和空穴的有效空间分离是由时空各向异性的电荷转移机制共同决定，该复杂机制可以通过各向异性晶面和缺陷结构来可控的调整。

李灿表示，研究团队通过自主研发的时间分辨光发射显微镜(飞秒到纳秒)、瞬态表面光电压光谱(纳秒到微秒)和表面光电压显微镜(微秒到秒)等系列先进“照相机”设备，像接力赛一样，国际上第一次在一个光催化剂颗粒中跟踪电子和空穴到表面反应中心的整个机制，并首次“拍摄”到光生电荷转移演化全时空图像。这项时空追踪电荷转移的能力将极大促进对能源转换过程中复杂机制的认识，为理性设计性能更优的光催化剂提供新的研究思路和方法。

提高太阳能转化效率或致世界能源格局巨变

“人类从绿叶的自然光合作用中得到灵感，开发了高效的人工光合体系，人工光合体系的光催化剂捕获太阳光，将水分解为氢气和氧气，氢气可以为氢能汽车提供零污染的动力，还可以同二氧化碳共同生产清洁燃料。”

论文共同第一作者、中科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科普解读最新研究成果说，“我们需要找到一种好的半导体材料去吸收更多太阳光，同时对这种半导体材料进行一定功能化设计，以实现高效的光催化分解水产氢产氧”。

中科院大连化物所李灿院士(中)、范峰滔研究员(左)和陈若天副研究员在仪器前讨论信号分析问题。　中科院大连化物所 供图

他们指出，要实现这些目标，需要在微观层次上进行更深入的探究，并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转化的一个非常关键的步骤，研究团队利用研发并综合集成多种可在时空尺度衔接的技术，实现从微米、纳米层次去直接观测到光激发条件下，电子和空穴是如何分布和进行化学反应，从而在理解光生电荷的产生和传输的基础上，可将有催化活性的纳米粒子负载在半导体材料的特定功能区域，借助例如原子层沉积等先进合成技术，精确控制催化剂生长。

李灿表示，太阳能是地球上万物生长的能源，只要取得其万分之一的能量，就可以解决人类在地球上每年消耗的各种能源之和。“我们为什么不尽快把太阳能利用起来呢？主要是利用太阳能的效率还很低，所以现在全世界科学家主攻的一个方向，就是怎么提高太阳能转化成人类利用的化学能、电能的效率，一旦效率问题能够得到解决，太阳能将引起整个世界能源格局的巨大变化”。

中科院大连化物所范峰滔研究员在调试表面光电压成像仪器。　中科院大连化物所 供图

他说，太阳能转化氢能的效率已由20世纪70年代极低的效率提高到目前约1.5%，达到5%即可进行中试，达到10%就可以工业化应用。该效率的突破是科研领域难以预测的“黑马”，估计5年左右有望提高到10%。

“未来，这个成果有望促进太阳能光催化分解水制取太阳燃料在实际生活中的应用，让梦想逐渐变为现实，为我们的生产和生活提供清洁、绿色的能源。”李灿说。