近日獲悉，中國科學院大連化學物理研究所李燦院士、范峰滔研究員等綜合集成多種可在時空尺度銜接的技術(shù)，對光催化劑納米顆粒的光生電荷轉(zhuǎn)移進行了全時空探測，成功“拍攝”到光催化劑光生電荷轉(zhuǎn)移演化的全時空圖像。這在國際上尚屬首次，相關(guān)研究成果于10月12日發(fā)表在國際學術(shù)期刊《自然》上。
如果說成功“拍攝”到黑洞照片是人類認知宏觀宇宙的一項重大進展，此次全時空圖像的“拍攝”，則是對微觀世界觀測和利用的更進一步。就好比從巨幅的《清明上河圖》可以透視北宋時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)移演化全時空圖像，能夠極大促進人們對能源轉(zhuǎn)換過程中復雜機制的認識。
這項發(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，這項始于上世紀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。而這一效率若能達到10%，綠氫生產(chǎn)成本才能與現(xiàn)在的工業(yè)制氫相當，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，將引起整個世界能源格局的變化”。
據(jù)了解，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)注遠遠不夠。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)移和參與化學反應(yīng)的時空復雜性，該過程的基本機制一直不清，進而制約了催化效率的進一步提升。
如今，謎團終于解開。李燦院士、范峰滔研究員等瞄準光催化領(lǐng)域關(guān)鍵科學問題，研究太陽能光催化電荷分離過程全時空域動態(tài)成像，揭示了復雜的多重電荷轉(zhuǎn)移機制的微觀過程，明確了電荷分離機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識和研究策略。
據(jù)李燦介紹，光催化分解水的核心科學挑戰(zhàn)在于，如何實現(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空尺度，揭開背后的微觀機制極具挑戰(zhàn)性。“我們團隊前赴后繼，長期致力于解決這一問題，通過集成多種先進技術(shù)和理論，在時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)合多種先進的表征技術(shù)和理論模擬，就像接力賽一樣，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)中心的整個機制。”李燦表示，時空追蹤電荷轉(zhuǎn)移的能力，將極大促進對能源轉(zhuǎn)換過程中復雜機制的認識，為理性設(shè)計性能更優(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，為我們的生產(chǎn)和生活提供清潔、綠色能源。”
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