氢能是一种绿色能源，用太阳能分解水制氢，是科学领域“圣杯”式的课题，受到全世界关注。在过去半个世纪的研究中，由于人们对这一全过程的微观机制一直不清楚，太阳能分解水的效率依然在1.5%的低水平徘徊。

日前，中国科学院大连化学物理研究所李灿院士、范峰滔研究员等人揭开了这一极具挑战性的谜团。他们在国际上首次“拍摄”到光生电荷转移演化全时空图像，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，为突破太阳能光催化反应的“瓶颈”提供了新的认识和研究策略。相关研究于2022年10月12日在国际学术期刊《自然》发表，第一作者为大连化物所陈若天副研究员和任泽峰研究员。


【不是用照相机“拍摄”】

“化学反应发生的尺度是毫秒或微秒，而光电子产生的过程则是皮秒或飞秒，相差好几个数量级。如此时空不匹配的两个过程，怎么会连在一起，这是一直困扰我们的问题。”李灿院士告诉解放日报·上观新闻记者。

研究团队自主研制并集成了多种可在时空尺度衔接的技术，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。

“就像接力赛一样，我们在时空全域‘拍摄’了光生电荷在纳米颗粒中分离和转移演化的全过程。这种‘拍摄’并不是用照相机进行光学成像，而是直接把电子的运动进行探针扫描。”李灿说，尽管这在理论上是成立的，但当他第一次看到实际的成像结果，还是感到非常震撼。


单个光催化粒子从飞秒到秒光生电荷分离过程的全时空域原位动态图像

【催化效率达到10%，成本将和工业制氢相当】

太阳能光催化分解水的核心挑战在于如何实现高效的光生电荷的分离和传输。

光催化过程中，光生电子和空穴（电子转移后留下的空位）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。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。“我们将一种特定的缺陷结构，选择性地合成到颗粒的特定晶面，有效促进了电荷的分离。”范峰滔介绍。(编者注：晶体学上的缺陷，并不是平常所说的缺点，而是实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域)


“目前太阳能光催化分解水的效率大约是1.5%，如果光催化剂的效率达到5%可以进行工业化中试；达到10%，其成本将和现在的工业制氢相当。”李灿说。

犹如《清明上河图》得以“窥见”北宋都城的城市面貌和社会各阶层的生活状况，首次“拍摄”到的光生电荷转移演化全时空图像，将极大促进人们对能源转换过程中复杂机制的认识，为设计性能更优的光催化剂提供新的思路和研究方法。一旦有了高效的光催化剂，将为人们提供清洁、绿色的氢能。

原标题：国际首次！中国科学家“拍摄”的全时空图像，突破太阳能分解水制氢“瓶颈”