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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——这将为获取清洁能源打开新路。但半个多世纪以来，对该过程的基本机制一直不清楚。
如今，这个谜团被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、范峰滔研究员等揭开了——研究人员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全时空探测，揭示了复杂的多重电荷转移机制，“拍摄”到光生电荷转移演化全时空影像。
“眼见为实”的证据使科学家们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。相关研究成果于10月12日发表在国际学术期刊《自然》上。
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，“由于这个过程跨越从飞秒到秒、从原子到微米的巨大时空尺度，使揭开这一全过程的微观机制极具挑战性”。
为了揭开这个奥秘，研究团队集成了多种先进的表征技术和理论模拟。范峰滔介绍，比如，为了实现高效的电荷分离，科研人员将一种特定的缺陷结构选择性地合成到颗粒的特定晶面，形成了一个定向重排的电场；为了更好地了解纳秒范围内高效电荷分离机制，研究人员使用了时间分辨光发射电子显微镜；随后，研究人员利用瞬时光电压分析电荷转移过程，发现随着时间尺度从纳秒到微秒的发展，空穴逐渐出现在含有缺陷结构的晶面。
就这样，研究人员“拍摄”到了微观世界的长镜头，揭开了光解水催化剂的奥秘。“像接力赛一样，我们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。”李灿说，“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。”
李灿说：“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，为我们的生产和生活提供清洁、绿色的能源。”
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