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，受到全世界关注。虽然在过去半个世纪的光催化研究中，人们已经在光催化剂制备和光催化反应研究方面做出了巨大的努力，但由于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，人们对该过程的基本机制一直不清楚。
日前，这个谜团被中国科学院大连化学物理研究所（大连化物所）李灿院士、范峰滔研究员等揭开了。研究人员对光催化剂纳米颗粒的光生电荷转移进行全时空探测，“拍摄”到光生电荷转移演化全时空影像。相关研究成果已于10月12日发表在国际学术期刊《自然》上。
研究成果文章的部分作者在实验室合影，从左到右依次为范峰滔、李灿和陈若天。中科院大连化物所供图
历时二十多年，中国科学家攻破“光催化分解水的核心科学挑战”
绿氢是实现工业和交通领域碳中和的主要路径。绿氢从水中来，需要太阳能等可再生资源。
据中科院院士李灿介绍，过去几十年，光电解水效率大幅度提升，但整体水平仍然较低。“上世纪70年代，太阳能制氢效率极低，2000年后进展比较快，效率从0.5%发展到当前的1.5%左右。”
目前，光催化分解水研究大多集中在筛选光催化材料和优化器件工艺上，光生电荷动力学等研究相对薄弱，重大科学问题尚未解决。“太阳能光催化剂要提高效率，需要优化三个方面的效率，包括捕光、电荷分离和催化转化。其中，电荷分离是最关键、最微观的一步，所以我们优先研究了这个问题。”
他说，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到秒、从原子到微米的巨大时空尺度，揭开全过程的微观机制极具挑战性。“20多年来，我们的团队前赴后继，一直致力于解决这一问题。”
就医经历为成像研究带来启发
范峰滔说，为了开展这项研究，他博士毕业后的研究方向从原来的分子筛合成光谱表征转为光催化成像。最初他比较迷茫，李灿院士在2010年的一次就医经历给他带来了启发。“当时基于血管成像介入手术的启发，李老师（李灿）在病床上打电话和我交流，认为光谱成像方向值得考虑，由此为我指明了方向。”
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
经过摸索，范峰滔计划以原子力显微镜、光学和半导体晶面性质为基础开展工作。由于缺少合适的仪器设备，团队开始亲自设计、自主研发。2012年，范峰滔找了一间不到20平方米的房间，和同学们一起搭建设备仪器，并逐步改进实验仪器和方法。
据李灿介绍，科研人员通过集成结合多种先进的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，首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。“这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的应用，为人类生产和生活提供清洁、绿色的能源。
李灿说，按照经济上的评估，太阳能制氢效率达到5%就可以进行工业化中试，效率如果达到10%，就和最便宜的化石资源制氢成本相近。“通过这么多的积累，太阳能制氢有望在不远的将来取得突破并实现工业化。”
新京报记者 张璐
编辑 陈静 校对 李立军
