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氫能是一種綠色能源，用太陽(yáng)能分解水制氫，是科學(xué)領(lǐng)域“圣杯”式的課題，受到全世界關(guān)注。在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)的研究中，由于人們對(duì)這一全過(guò)程的微觀機(jī)制一直不清楚，太陽(yáng)能分解水的效率依然在1.5%的低水平徘徊。

日前，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士、范峰滔研究員等人揭開(kāi)了這一極具挑戰(zhàn)性的謎團(tuán)。他們?cè)趪?guó)際上首次“拍攝”到光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時(shí)空?qǐng)D像，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)研究于2022年10月12日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表，第一作者為大連化物所陳若天副研究員和任澤峰研究員。


【不是用照相機(jī)“拍攝”】

“化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的尺度是毫秒或微秒，而光電子產(chǎn)生的過(guò)程則是皮秒或飛秒，相差好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。如此時(shí)空不匹配的兩個(gè)過(guò)程，怎么會(huì)連在一起，這是一直困擾我們的問(wèn)題。”李燦院士告訴解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾摺?br />
研究團(tuán)隊(duì)自主研制并集成了多種可在時(shí)空尺度銜接的技術(shù)，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。

“就像接力賽一樣，我們?cè)跁r(shí)空全域‘拍攝’了光生電荷在納米顆粒中分離和轉(zhuǎn)移演化的全過(guò)程。這種‘拍攝’并不是用照相機(jī)進(jìn)行光學(xué)成像，而是直接把電子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行探針掃描。”李燦說(shuō)，盡管這在理論上是成立的，但當(dāng)他第一次看到實(shí)際的成像結(jié)果，還是感到非常震撼。


單個(gè)光催化粒子從飛秒到秒光生電荷分離過(guò)程的全時(shí)空域原位動(dòng)態(tài)圖像

【催化效率達(dá)到10%，成本將和工業(yè)制氫相當(dāng)】

太陽(yáng)能光催化分解水的核心挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)高效的光生電荷的分離和傳輸。

光催化過(guò)程中，光生電子和空穴（電子轉(zhuǎn)移后留下的空位）需要從微納米顆粒內(nèi)部分離，并轉(zhuǎn)移到催化劑的表面，從而啟動(dòng)化學(xué)反應(yīng)。在如此微小的物理尺度上，光催化劑往往缺乏分離電荷所需的驅(qū)動(dòng)力，因此，實(shí)現(xiàn)高效的電荷分離需要一個(gè)有效的電場(chǎng)。“我們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，有效促進(jìn)了電荷的分離。”范峰滔介紹。(編者注：晶體學(xué)上的缺陷，并不是平常所說(shuō)的缺點(diǎn)，而是實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域)


“目前太陽(yáng)能光催化分解水的效率大約是1.5%，如果光催化劑的效率達(dá)到5%可以進(jìn)行工業(yè)化中試；達(dá)到10%，其成本將和現(xiàn)在的工業(yè)制氫相當(dāng)。”李燦說(shuō)。

猶如《清明上河圖》得以“窺見(jiàn)”北宋都城的城市面貌和社會(huì)各階層的生活狀況，首次“拍攝”到的光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時(shí)空?qǐng)D像，將極大促進(jìn)人們對(duì)能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中復(fù)雜機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為設(shè)計(jì)性能更優(yōu)的光催化劑提供新的思路和研究方法。一旦有了高效的光催化劑，將為人們提供清潔、綠色的氫能。

原標(biāo)題：國(guó)際首次！中國(guó)科學(xué)家“拍攝”的全時(shí)空?qǐng)D像，突破太陽(yáng)能分解水制氫“瓶頸”