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記者日前從中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“大連化物所”）獲悉，該所李燦院士、范峰滔研究員等綜合集成多種可在時(shí)空尺度銜接的技術(shù)，對(duì)光催化劑納米顆粒的光生電荷轉(zhuǎn)移進(jìn)行了全時(shí)空探測(cè)，成功“拍攝”到光催化劑光生電荷轉(zhuǎn)移演化的全時(shí)空?qǐng)D像。這在國(guó)際上尚屬首次，相關(guān)研究成果于10月12日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
如果說(shuō)成功“拍攝”到黑洞照片是人類(lèi)認(rèn)知宏觀宇宙的一項(xiàng)重大進(jìn)展，此次全時(shí)空?qǐng)D像的“拍攝”，則是對(duì)微觀世界觀測(cè)和利用的更進(jìn)一步。就好比從巨幅的《清明上河圖》可以透視北宋時(shí)期都城汴京的城市面貌及其生動(dòng)的人物活動(dòng)，“拍攝”到的光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時(shí)空?qǐng)D像，能夠極大促進(jìn)人們對(duì)能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中復(fù)雜機(jī)制的認(rèn)識(shí)。
這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為什么如此重要？一直以來(lái)，高效利用太陽(yáng)能都被認(rèn)為是潔凈能源研究領(lǐng)域“圣杯”式的課題。太陽(yáng)能光催化反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)分解水產(chǎn)生氫氣、還原二氧化碳產(chǎn)生太陽(yáng)燃料，由此分解而來(lái)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(lái)越受到關(guān)注。然而，這項(xiàng)始于上世紀(jì)70年代的研究工作，至今卻仍面臨諸多難題——反應(yīng)過(guò)程看起來(lái)并不復(fù)雜，太陽(yáng)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(dá)到10%，綠氫生產(chǎn)成本才能與現(xiàn)在的工業(yè)制氫相當(dāng)，突破低效瓶頸十分關(guān)鍵。
“太陽(yáng)能是地球上萬(wàn)物生長(zhǎng)的能源，只要取其萬(wàn)分之一的能量，就可解決人類(lèi)每年消耗的各種能源之和。為什么不盡快把太陽(yáng)能利用起來(lái)呢？”李燦坦言，主要原因正是利用效率偏低。“效率問(wèn)題一旦解決，將引起整個(gè)世界能源格局的變化”。
記者進(jìn)一步了解到，針對(duì)該領(lǐng)域的研究，長(zhǎng)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，后者就是要弄清楚反應(yīng)為何發(fā)生、如何發(fā)生的問(wèn)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(xué)反應(yīng)的時(shí)空復(fù)雜性，該過(guò)程的基本機(jī)制一直不清，進(jìn)而制約了催化效率的進(jìn)一步提升。
如今，謎團(tuán)終于解開(kāi)。李燦院士、范峰滔研究員等瞄準(zhǔn)光催化領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，研究太陽(yáng)能光催化電荷分離過(guò)程全時(shí)空域動(dòng)態(tài)成像，揭示了復(fù)雜的多重電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制的微觀過(guò)程，明確了電荷分離機(jī)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(yáng)能光催化反應(yīng)的瓶頸提供了新的認(rèn)識(shí)和研究策略。
據(jù)李燦介紹，光催化分解水的核心科學(xué)挑戰(zhàn)在于，如何實(shí)現(xiàn)高效的光生電荷的分離和傳輸。而這一過(guò)程跨越從飛秒（一千萬(wàn)億分之一秒）到秒、從原子到微米的巨大時(shí)空尺度，揭開(kāi)背后的微觀機(jī)制極具挑戰(zhàn)性。“我們團(tuán)隊(duì)前赴后繼，長(zhǎng)期致力于解決這一問(wèn)題，通過(guò)集成多種先進(jìn)技術(shù)和理論，在時(shí)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(guò)程。”
“通過(guò)集成結(jié)合多種先進(jìn)的表征技術(shù)和理論模擬，就像接力賽一樣，第一次在一個(gè)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(gè)機(jī)制。”李燦表示，時(shí)空追蹤電荷轉(zhuǎn)移的能力，將極大促進(jìn)對(duì)能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中復(fù)雜機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為理性設(shè)計(jì)性能更優(yōu)的光催化劑提供了新的思路和研究方法。“未來(lái)，該成果有望促進(jìn)太陽(yáng)能光催化分解水制取太陽(yáng)燃料在實(shí)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。”
