我国科学家“拍摄”到光催化剂光生电荷转移演化全时空图像

单个光催化粒子从飞秒（千万亿分之一秒）到秒光生电荷分离过程的全时空域原位动态图像。（中科院大连化物所供图）

太阳光是一种丰富的可再生能源，通过和光催化剂发生作用，可以催化分解水产生氢气，以及还原二氧化碳产生太阳燃料（太阳能、水和含碳化合物转化的燃料）。我国科学家近期“拍摄”到光催化剂光生电荷转移演化全时空图像，为突破太阳能光催化反应瓶颈、更加高效利用太阳能提供了新的认识和研究策略。

记者从中国科学院获悉，该研究由中科院大连化物所李灿院士、范峰滔研究员等完成，相关成果12日在国际学术期刊《自然》在线发表。

由于太阳能光催化反应在清洁能源生产中的巨大应用潜力，国内外科学家多年来在该领域开展了大量研究。然而，光激发产生的电荷是如何分离、转移和参与化学反应的？长期以来，这一关键过程的基础科学问题并不明晰。

“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。”范峰滔介绍，由于这一过程跨越从飞秒到秒、从原子到微米的复杂时空尺度，揭开这一过程的微观机制极具挑战性。

此项研究中，科研人员综合集成多种可在时空尺度衔接的技术，对光催化剂纳米颗粒的光生电荷转移进行全时空探测，首次在一个光催化剂颗粒中跟踪了电子和空穴到表面反应中心的整个机制。他们还明确了电荷分离机制与光催化分解水效率之间的本质关联。

“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了新的思路和研究方法。”李灿说，该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，提供更多清洁、绿色的能源。