太阳能光催化反应可以使水分解产生氢气，以及还原二氧化碳产生“太阳燃料”。太阳光这种神奇的“魔法”是如何实现的，一直是科学领域的难题。近日，从中国科学院传来好消息：中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）李灿院士、范峰滔研究员等带领的科研团队成功揭开这一谜团，“拍摄”到光生电荷转移演化全时空影像。相关研究成果于10月12日在国际学术期刊《自然》上发表。
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。“光催化过程中，光生电子和空穴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。”范峰滔介绍，由于这一过程跨越从飞秒到秒、从原子到微米的复杂时空尺度，揭开这一过程的微观机制极具挑战性。
“长期以来，我们的团队前赴后继一直在致力于解决这一问题，在这个工作中，集成多种先进技术和理论，我们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。”李灿说。
李灿介绍，通过集成结合多种先进的表征技术和理论模拟，包括时间分辨光发射电子显微镜（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，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达表面反应中心的整个机制。
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，这个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，让梦想逐渐变为现实，为我们的生产和生活提供清洁、绿色的能源。”李灿说。
太阳能分解水制氢有三种典型的技术路线，分别为光伏辅助电解水、光催化分解水和光电催化分解水。其中光伏辅助电解水，也就是常说的利用光伏所发绿电进行水电解来制取绿氢。
利用光催化剂实现太阳能分解水制氢是最简单、最经济的，装置搭建更为容易，整体廉价、易大规模化。这一技术始自1972年，由日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授首次报告发现TiO2单晶电极光催化分解水并产生氢气这一现象，从而揭示了利用太阳能直接分解水来制氢的可能性，开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道路。光催化剂目前进入科学家视野的包括钽酸盐、铌酸盐、钛酸盐、多元硫化物等。
除了对催化剂的寻寻觅觅，如何实现高效的光生电荷的分离和传输也是重要一环，大连化物所这一发现对光催化制氢有巨大的促进作用。
资料来源：人民网等
