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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——這將為獲取清潔能源打開(kāi)新路。但半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，對(duì)該過(guò)程的基本機(jī)制一直不清楚。

如今，這個(gè)謎團(tuán)被中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“大連化物所”）李燦院士、范峰滔研究員等揭開(kāi)了——研究人員綜合集成多種可在時(shí)空尺度銜接的技術(shù)，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)，揭示了復(fù)雜的多重電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，“拍攝”到光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時(shí)空影像。

“眼見(jiàn)為實(shí)”的證據(jù)使科學(xué)家們明確了電荷分離機(jī)制與光催化分解水效率之間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)，為突破太陽(yáng)能光催化反應(yīng)的“瓶頸”提供了新的認(rèn)識(shí)和研究策略。相關(guān)研究成果于10月12日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

李燦介紹，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，“由于這個(gè)過(guò)程跨越從飛秒到秒、從原子到微米的巨大時(shí)空尺度，使揭開(kāi)這一全過(guò)程的微觀(guān)機(jī)制極具挑戰(zhàn)性”。

為了揭開(kāi)這個(gè)奧秘，研究團(tuán)隊(duì)集成了多種先進(jìn)的表征技術(shù)和理論模擬。范峰滔介紹，比如，為了實(shí)現(xiàn)高效的電荷分離，科研人員將一種特定的缺陷結(jié)構(gòu)選擇性地合成到顆粒的特定晶面，形成了一個(gè)定向重排的電場(chǎng)；為了更好地了解納秒范圍內(nèi)高效電荷分離機(jī)制，研究人員使用了時(shí)間分辨光發(fā)射電子顯微鏡；隨后，研究人員利用瞬時(shí)光電壓分析電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間尺度從納秒到微秒的發(fā)展，空穴逐漸出現(xiàn)在含有缺陷結(jié)構(gòu)的晶面。

就這樣，研究人員“拍攝”到了微觀(guān)世界的長(zhǎng)鏡頭，揭開(kāi)了光解水催化劑的奧秘。“像接力賽一樣，我們第一次在一個(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。”李燦說(shuō)，“時(shí)空追蹤電荷轉(zhuǎn)移的能力將極大促進(jìn)對(duì)能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中復(fù)雜機(jī)制的認(rèn)識(shí)，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。”

李燦說(shuō)：“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)燃料在實(shí)際生活中的應(yīng)用，為我們的生產(chǎn)和生活提供清潔、綠色的能源。”（記者齊芳）