單個光催化粒子從飛秒到秒光生電荷分離過程的全時空域原位動態(tài)“影像”拍攝?！≈锌圃捍筮B化物所 供圖
中新網(wǎng)北京10月12日電 (記者 孫自法)如何高效利用清潔無污染的太陽能，一直是全世界科學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。其中，太陽能光催化反應(yīng)可以實現(xiàn)分解水產(chǎn)生氫氣、氧氣和還原二氧化碳產(chǎn)生太陽燃料的過程與機(jī)制，即光催化反應(yīng)中光生電荷的分離、轉(zhuǎn)移和參與化學(xué)反應(yīng)的時空復(fù)雜性，這一基礎(chǔ)和關(guān)鍵核心問題此前長期成謎待解。
中科院大連化物所范峰滔研究員(左)和陳若天副研究員討論光路設(shè)計方案。 中科院大連化物所 供圖
“拍攝”到光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時空圖像
中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(中科院大連化物所)太陽能研究部李燦院士、范峰滔研究員等歷時20多年努力，通過他們自主研制的一系列精密“照相機(jī)”和攻克的先進(jìn)“成像”技術(shù)，最新完成對光催化劑納米顆粒的光生電荷轉(zhuǎn)移進(jìn)行全時空探測，揭示出復(fù)雜的多重電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，并在國際上首次“拍攝”到光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時空圖像。
由中國科學(xué)家率先明確光生電荷分離機(jī)制與光催化分解水效率之間本質(zhì)關(guān)聯(lián)、揭開太陽能光催化反應(yīng)關(guān)鍵謎團(tuán)的這項重要科研成果論文，北京時間10月12日夜間在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》上線發(fā)表。
前幾年，科學(xué)家成功“拍攝”到黑洞照片，是人類認(rèn)知宏觀宇宙的一項重大進(jìn)展。此次中科院團(tuán)隊“拍攝”到納米顆粒光生電荷轉(zhuǎn)移影像，則是對微觀世界觀測和利用的更進(jìn)一步，可為突破太陽能光催化反應(yīng)的“瓶頸”提供新的認(rèn)識和研究策略，并有望促進(jìn)太陽能光催化分解水制取太陽燃料由理論走向?qū)嶋H應(yīng)用。
研究成果論文部分作者范峰滔、李燦、陳若天(從左至右)在中科院大連化物所實驗室合影。 中科院大連化物所 供圖
為設(shè)計更優(yōu)光催化劑提供新思路和方法
李燦院士指出，光催化分解水的核心科學(xué)挑戰(zhàn)在于如何實現(xiàn)高效的光生電荷的分離和傳輸，由于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空尺度，揭開這一全過程的微觀機(jī)制極具挑戰(zhàn)性。2000年以來，研究團(tuán)隊前赴后繼致力于解決太陽能催化分解水制氫這一世界難題，集成多種先進(jìn)技術(shù)和理論，成功在時空全域追蹤光生電荷在納米顆粒中分離和轉(zhuǎn)移演化的全過程。
范峰滔研究員介紹說，光催化過程中，光生電子和空穴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)動力，因此，實現(xiàn)高效的電荷分離需要一個有效的電場。為了在光催化劑顆粒中形成一個定向重排的電場，研究團(tuán)隊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。
為更好了解納秒(十億分之一秒)范圍內(nèi)高效電荷分離機(jī)制，研究團(tuán)隊使用時間分辨光發(fā)射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，光生電子在亞皮秒(一皮秒等于一萬億分之一秒)時間尺度就可以選擇性的轉(zhuǎn)移到特定晶面區(qū)域，電子在超快的時間尺度上可以從一個表面移動到另一個表面。隨后，為直接觀察電荷轉(zhuǎn)移過程，研究團(tuán)隊進(jìn)行瞬時光電壓分析，發(fā)現(xiàn)隨著時間尺度從納秒到微秒(一百萬分之一秒)的發(fā)展，空穴逐漸出現(xiàn)在含有缺陷的晶面。
中科院大連化物所科研人員在調(diào)試表面光電壓成像儀器?！≈锌圃捍筮B化物所 供圖
范峰滔認(rèn)為，綜合來看，這項研究表明，晶面上光生電子和空穴的有效空間分離是由時空各向異性的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制共同決定，該復(fù)雜機(jī)制可以通過各向異性晶面和缺陷結(jié)構(gòu)來可控的調(diào)整。
李燦表示，研究團(tuán)隊通過自主研發(fā)的時間分辨光發(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)等系列先進(jìn)“照相機(jī)”設(shè)備，像接力賽一樣，國際上第一次在一個光催化劑顆粒中跟蹤電子和空穴到表面反應(yīng)中心的整個機(jī)制，并首次“拍攝”到光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時空圖像。這項時空追蹤電荷轉(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)計性能更優(yōu)的光催化劑提供新的研究思路和方法。
提高太陽能轉(zhuǎn)化效率或致世界能源格局巨變
“人類從綠葉的自然光合作用中得到靈感，開發(fā)了高效的人工光合體系，人工光合體系的光催化劑捕獲太陽光，將水分解為氫氣和氧氣，氫氣可以為氫能汽車提供零污染的動力，還可以同二氧化碳共同生產(chǎn)清潔燃料。”
論文共同第一作者、中科院大連化物所太陽能研究部陳若天副研究員和分子反應(yīng)動力學(xué)研究室任澤峰研究員科普解讀最新研究成果說，“我們需要找到一種好的半導(dǎo)體材料去吸收更多太陽光，同時對這種半導(dǎo)體材料進(jìn)行一定功能化設(shè)計，以實現(xiàn)高效的光催化分解水產(chǎn)氫產(chǎn)氧”。
中科院大連化物所李燦院士(中)、范峰滔研究員(左)和陳若天副研究員在儀器前討論信號分析問題。 中科院大連化物所 供圖
他們指出，要實現(xiàn)這些目標(biāo)，需要在微觀層次上進(jìn)行更深入的探究，并在制備技術(shù)上實現(xiàn)更有效的突破，光生電荷分離是太陽光化學(xué)能轉(zhuǎn)化的一個非常關(guān)鍵的步驟，研究團(tuán)隊利用研發(fā)并綜合集成多種可在時空尺度銜接的技術(shù)，實現(xiàn)從微米、納米層次去直接觀測到光激發(fā)條件下，電子和空穴是如何分布和進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而在理解光生電荷的產(chǎn)生和傳輸?shù)幕A(chǔ)上，可將有催化活性的納米粒子負(fù)載在半導(dǎo)體材料的特定功能區(qū)域，借助例如原子層沉積等先進(jìn)合成技術(shù)，精確控制催化劑生長。
李燦表示，太陽能是地球上萬物生長的能源，只要取得其萬分之一的能量，就可以解決人類在地球上每年消耗的各種能源之和。“我們?yōu)槭裁床槐M快把太陽能利用起來呢？主要是利用太陽能的效率還很低，所以現(xiàn)在全世界科學(xué)家主攻的一個方向，就是怎么提高太陽能轉(zhuǎn)化成人類利用的化學(xué)能、電能的效率，一旦效率問題能夠得到解決，太陽能將引起整個世界能源格局的巨大變化”。
中科院大連化物所范峰滔研究員在調(diào)試表面光電壓成像儀器?！≈锌圃捍筮B化物所 供圖
他說，太陽能轉(zhuǎn)化氫能的效率已由20世紀(jì)70年代極低的效率提高到目前約1.5%，達(dá)到5%即可進(jìn)行中試，達(dá)到10%就可以工業(yè)化應(yīng)用。該效率的突破是科研領(lǐng)域難以預(yù)測的“黑馬”，估計5年左右有望提高到10%。
“未來，這個成果有望促進(jìn)太陽能光催化分解水制取太陽燃料在實際生活中的應(yīng)用，讓夢想逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實，為我們的生產(chǎn)和生活提供清潔、綠色的能源?！崩顮N說。(完)