據(jù)中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）悉，該所李燦院士、范峰滔研究員等綜合集成多種可在時(shí)空尺度銜接的技術(shù)，對光催化劑納米顆粒的光生電荷轉(zhuǎn)移進(jìn)行了全時(shí)空探測，成功“拍攝”到光催化劑光生電荷轉(zhuǎn)移演化的全時(shí)空圖像。這在國際上尚屬首次，相關(guān)研究成果于10月12日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

如果說成功“拍攝”到黑洞照片是人類認(rèn)知宏觀宇宙的一項(xiàng)重大進(jìn)展，此次全時(shí)空圖像的“拍攝”，則是對微觀世界觀測和利用的更進(jìn)一步。就好比從巨幅的《清明上河圖》可以透視北宋時(shí)期都城汴京的城市面貌及其生動的人物活動，“拍攝”到的光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時(shí)空圖像，能夠極大促進(jìn)人們對能源轉(zhuǎn)換過程中復(fù)雜機(jī)制的認(rèn)識。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為什么如此重要？一直以來，高效利用太陽能都被認(rèn)為是潔凈能源研究領(lǐng)域“圣杯”式的課題。太陽能光催化反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)分解水產(chǎn)生氫氣、還原二氧化碳產(chǎn)生太陽燃料，由此分解而來的氫氣是真正意義上的綠氫。在“雙碳”背景下，綠氫發(fā)展越來越受到關(guān)注。然而，這項(xiàng)始于上世紀(jì)70年代的研究工作，至今卻仍面臨諸多難題——反應(yīng)過程看起來并不復(fù)雜，太陽能分解水效率卻依然在1.5%左右的低水平徘徊。而這一效率若能達(dá)到10%，綠氫生產(chǎn)成本才能與現(xiàn)在的工業(yè)制氫相當(dāng)，突破低效瓶頸十分關(guān)鍵。

“太陽能是地球上萬物生長的能源，只要取其萬分之一的能量，就可解決人類每年消耗的各種能源之和。為什么不盡快把太陽能利用起來呢？”李燦坦言，主要原因正是利用效率偏低。“效率問題一旦解決，將引起整個(gè)世界能源格局的變化”。

針對該領(lǐng)域的研究，長期多集中在應(yīng)用階段，在最本質(zhì)的基礎(chǔ)研究上關(guān)注遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。簡單來說，后者就是要弄清楚反應(yīng)為何發(fā)生、如何發(fā)生的問題。究其原因，由于光催化反應(yīng)中光生電荷的分離、轉(zhuǎn)移和參與化學(xué)反應(yīng)的時(shí)空復(fù)雜性，該過程的基本機(jī)制一直不清，進(jìn)而制約了催化效率的進(jìn)一步提升。

如今，謎團(tuán)終于解開。李燦院士、范峰滔研究員等瞄準(zhǔn)光催化領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)問題，研究太陽能光催化電荷分離過程全時(shí)空域動態(tài)成像，揭示了復(fù)雜的多重電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制的微觀過程，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)，為突破太陽能光催化反應(yīng)的瓶頸提供了新的認(rèn)識和研究策略。

據(jù)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。而這一過程跨越從飛秒（一千萬億分之一秒）到秒、從原子到微米的巨大時(shí)空尺度，揭開背后的微觀機(jī)制極具挑戰(zhàn)性。“我們團(tuán)隊(duì)前赴后繼，長期致力于解決這一問題，通過集成多種先進(jìn)技術(shù)和理論，在時(shí)空全域追蹤了光生電荷在納米顆粒中分離和轉(zhuǎn)移演化的全過程。”

“通過集成結(jié)合多種先進(jìn)的表征技術(shù)和理論模擬，就像接力賽一樣，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。”李燦表示，時(shí)空追蹤電荷轉(zhuǎn)移的能力，將極大促進(jìn)對能源轉(zhuǎn)換過程中復(fù)雜機(jī)制的認(rèn)識，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。“未來，該成果有望促進(jìn)太陽能光催化分解水制取太陽燃料在實(shí)際生活中的應(yīng)用，為我們的生產(chǎn)和生活提供清潔、綠色能源。”

（來源：中國能源報(bào)）