太陽(yáng)能光催化反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)分解水產(chǎn)生氫氣、還原二氧化碳產(chǎn)生太陽(yáng)燃料，是科學(xué)領(lǐng)域“圣杯”式的課題，受到全世界關(guān)注。雖然在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)的光催化研究中，人們已經(jīng)在光催化劑制備和光催化反應(yīng)研究方面做出了巨大的努力，但由于光催化反應(yīng)中光生電荷的分離、轉(zhuǎn)移和參與化學(xué)反應(yīng)的時(shí)空復(fù)雜性，人們對(duì)該過(guò)程的基本機(jī)制一直不清楚。

日前，這個(gè)謎團(tuán)被中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（大連化物所）李燦院士、范峰滔研究員等揭開(kāi)了。研究人員對(duì)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(cè)，“拍攝”到光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時(shí)空影像。相關(guān)研究成果已于10月12日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

研究成果文章的部分作者在實(shí)驗(yàn)室合影，從左到右依次為范峰滔、李燦和陳若天。中科院大連化物所供圖

(資料圖片)

歷時(shí)二十多年，中國(guó)科學(xué)家攻破“光催化分解水的核心科學(xué)挑戰(zhàn)”

綠氫是實(shí)現(xiàn)工業(yè)和交通領(lǐng)域碳中和的主要路徑。綠氫從水中來(lái)，需要太陽(yáng)能等可再生資源。

據(jù)中科院院士李燦介紹，過(guò)去幾十年，光電解水效率大幅度提升，但整體水平仍然較低?！吧鲜兰o(jì)70年代，太陽(yáng)能制氫效率極低，2000年后進(jìn)展比較快，效率從0.5%發(fā)展到當(dāng)前的1.5%左右?！?/p>

目前，光催化分解水研究大多集中在篩選光催化材料和優(yōu)化器件工藝上，光生電荷動(dòng)力學(xué)等研究相對(duì)薄弱，重大科學(xué)問(wèn)題尚未解決。“太陽(yáng)能光催化劑要提高效率，需要優(yōu)化三個(gè)方面的效率，包括捕光、電荷分離和催化轉(zhuǎn)化。其中，電荷分離是最關(guān)鍵、最微觀的一步，所以我們優(yōu)先研究了這個(gè)問(wèn)題。”

他說(shuō)，光催化分解水的核心科學(xué)挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)高效的光生電荷的分離和傳輸。由于這一過(guò)程跨越從飛秒到秒、從原子到微米的巨大時(shí)空尺度，揭開(kāi)全過(guò)程的微觀機(jī)制極具挑戰(zhàn)性。“20多年來(lái)，我們的團(tuán)隊(duì)前赴后繼，一直致力于解決這一問(wèn)題。”

就醫(yī)經(jīng)歷為成像研究帶來(lái)啟發(fā)

范峰滔說(shuō)，為了開(kāi)展這項(xiàng)研究，他博士畢業(yè)后的研究方向從原來(lái)的分子篩合成光譜表征轉(zhuǎn)為光催化成像。最初他比較迷茫，李燦院士在2010年的一次就醫(yī)經(jīng)歷給他帶來(lái)了啟發(fā)?！爱?dāng)時(shí)基于血管成像介入手術(shù)的啟發(fā)，李老師（李燦）在病床上打電話和我交流，認(rèn)為光譜成像方向值得考慮，由此為我指明了方向?！?/p>

范峰滔研究員在調(diào)試表面光電壓成像儀器。中科院大連化物所供圖

經(jīng)過(guò)摸索，范峰滔計(jì)劃以原子力顯微鏡、光學(xué)和半導(dǎo)體晶面性質(zhì)為基礎(chǔ)開(kāi)展工作。由于缺少合適的儀器設(shè)備，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始親自設(shè)計(jì)、自主研發(fā)。2012年，范峰滔找了一間不到20平方米的房間，和同學(xué)們一起搭建設(shè)備儀器，并逐步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器和方法。

據(jù)李燦介紹，科研人員通過(guò)集成結(jié)合多種先進(jìn)的表征技術(shù)和理論模擬，包括時(shí)間分辨光發(fā)射顯微鏡（飛秒到納秒）、瞬態(tài)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，像接力賽一樣，首次在一個(gè)光催化劑顆粒中跟蹤電子和空穴到表面反應(yīng)中心的整個(gè)機(jī)制?！斑@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?！?/p>

未來(lái)，這個(gè)成果有望促進(jìn)太陽(yáng)能光催化分解水制取太陽(yáng)燃料的應(yīng)用，為人類生產(chǎn)和生活提供清潔、綠色的能源。

李燦說(shuō)，按照經(jīng)濟(jì)上的評(píng)估，太陽(yáng)能制氫效率達(dá)到5%就可以進(jìn)行工業(yè)化中試，效率如果達(dá)到10%，就和最便宜的化石資源制氫成本相近?！巴ㄟ^(guò)這么多的積累，太陽(yáng)能制氫有望在不遠(yuǎn)的將來(lái)取得突破并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。”