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太阳能光催化反应可以实现分解水产生氢气、还原二氧化碳产生太阳燃料，是科学领域“圣杯”式的课题。但一直以来，人们对该过程的基本机制一直不清楚。日前，中国科学院大连化学物理研究所太阳能研究部李灿院士、范峰滔研究员团队揭开了这个谜团。

他们“拍摄”到光生电荷转移演化的全时空图像，打开了光变成电子、电子到催化剂表面跟水分子反应的“黑箱子”，揭示了复杂的多重电荷转移机制，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，为进一步研究利用人工合成光催化剂进行太阳能分解水制氢等世界性难题打下了基础。相关研究成果已于10月12日发表在国际学术期刊《自然》上。

梦源世纪之问。“能不能高效便利使用太阳能和水资源造福人类?”李灿院士很早就提出这一世纪之问。但是针对该领域的研究，长期多集中在应用阶段，对内在最本质的基础研究关注远远不够，致使太阳能分解水效率一直在1.5%左右的低水平徘徊。“简单来说，就是要弄清楚反应为何发生、如何发生的问题，但这个过程是个‘黑箱子’。我们就致力于一定把‘黑箱子’打开，并把它拍摄下来。”李灿院士表示。

跨越挑战之旅。光催化分解水的核心挑战在于如何实现光生电荷的高效分离和传输。由于这一过程跨越从飞秒到秒、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。由“60后”的李灿院士、“80后”的范峰滔研究员、“90后”的陈若天副研究员等组成的研究团队，一直致力于解决这一问题。在这个工作中，他们集成多种先进技术和理论，在时空全域追踪了光生电荷在纳米颗粒中分离和转移演化的全过程。

追踪时空之光。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。据范峰滔介绍，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，促进了电荷的分离。为更好地了解纳秒范围内高效电荷分离机制，他们使用了时间分辨光发射电子显微镜，发现了光生电子在亚皮秒时间尺度就可以选择性地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。

穷尽机理之道。“长期以来光催化中的主导电荷分离机制很难解释跨越如此大空间尺度超快电荷转移。”范峰滔说，“我们将超快的电荷转移归因于新的准弹道传输机制，其中载流子以极高的速度传播，在与晶格发生作用之前就已经跨越了整个粒子。”随后，为了直接观察电荷转移过程，研究人员进行了瞬时光电压分析，发现随着时间尺度从纳秒到微秒的发展，空穴逐渐出现在含有缺陷的晶面。

功成飞秒之间。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于时空各向异性的电荷转移机制共同决定的，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。研究团队通过集成结合多种表征技术和理论模拟，包括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，像接力赛一样，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。

逐梦绿能之源。李灿院士指出，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。“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、便利的能源。”李灿院士说。

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