近日获悉，中国科学院大连化学物理研究所李灿院士、范峰滔研究员等综合集成多种可在时空尺度衔接的技术，对光催化剂纳米颗粒的光生电荷转移进行了全时空探测，成功“拍摄”到光催化剂光生电荷转移演化的全时空图像。这在国际上尚属首次，相关研究成果于10月12日发表在国际学术期刊《自然》上。
如果说成功“拍摄”到黑洞照片是人类认知宏观宇宙的一项重大进展，此次全时空图像的“拍摄”，则是对微观世界观测和利用的更进一步。就好比从巨幅的《清明上河图》可以透视北宋时期都城汴京的城市面貌及其生动的人物活动，“拍摄”到的光生电荷转移演化全时空图像，能够极大促进人们对能源转换过程中复杂机制的认识。
这项发现为什么如此重要？一直以来，高效利用太阳能都被认为是洁净能源研究领域“圣杯”式的课题。太阳能光催化反应可以实现分解水产生氢气、还原二氧化碳产生太阳燃料，由此分解而来的氢气是真正意义上的绿氢。在“双碳”背景下，绿氢发展越来越受到关注。然而，这项始于上世纪70年代的研究工作，至今却仍面临诸多难题——反应过程看起来并不复杂，太阳能分解水效率却依然在1.5%左右的低水平徘徊。而这一效率若能达到10%，绿氢生产成本才能与现在的工业制氢相当，突破低效瓶颈十分关键。
“太阳能是地球上万物生长的能源，只要取其万分之一的能量，就可解决人类每年消耗的各种能源之和。为什么不尽快把太阳能利用起来呢？”李灿坦言，主要原因正是利用效率偏低。“效率问题一旦解决，将引起整个世界能源格局的变化”。
据了解，针对该领域的研究，长期多集中在应用阶段，在最本质的基础研究上关注远远不够。简单来说，后者就是要弄清楚反应为何发生、如何发生的问题。究其原因，由于光催化反应中光生电荷的分离、转移和参与化学反应的时空复杂性，该过程的基本机制一直不清，进而制约了催化效率的进一步提升。
如今，谜团终于解开。李灿院士、范峰滔研究员等瞄准光催化领域关键科学问题，研究太阳能光催化电荷分离过程全时空域动态成像，揭示了复杂的多重电荷转移机制的微观过程，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。
据李灿介绍，光催化分解水的核心科学挑战在于，如何实现高效的光生电荷的分离和传输。而这一过程跨越从飞秒（一千万亿分之一秒）到秒、从原子到微米的巨大时空尺度，揭开背后的微观机制极具挑战性。“我们团队前赴后继，长期致力于解决这一问题，通过集成多种先进技术和理论，在时空全域追踪了光生电荷在纳米颗粒中分离和转移演化的全过程。”
“通过集成结合多种先进的表征技术和理论模拟，就像接力赛一样，第一次在一个光催化剂颗粒中跟踪电子和空穴到表面反应中心的整个机制。”李灿表示，时空追踪电荷转移的能力，将极大促进对能源转换过程中复杂机制的认识，为理性设计性能更优的光催化剂提供了新的思路和研究方法。“未来，该成果有望促进太阳能光催化分解水制取太阳燃料在实际生活中的应用，为我们的生产和生活提供清洁、绿色能源。”
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