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太陽能光催化反應(yīng)可以使水分解產(chǎn)生氫氣，以及還原二氧化碳產(chǎn)生“太陽燃料”。太陽光這種神奇的“魔法”是如何實(shí)現(xiàn)的，一直是科學(xué)領(lǐng)域的難題。近日，從中國科學(xué)院傳來好消息：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）李燦院士、范峰滔研究員等帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)成功揭開這一謎團(tuán)，“拍攝”到光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時空影像。相關(guān)研究成果于10月12日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。

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。“光催化過程中，光生電子和空穴需要從微納米顆粒內(nèi)部分離，并轉(zhuǎn)移到催化劑的表面，從而啟動化學(xué)反應(yīng)。”范峰滔介紹，由于這一過程跨越從飛秒到秒、從原子到微米的復(fù)雜時空尺度，揭開這一過程的微觀機(jī)制極具挑戰(zhàn)性。

“長期以來，我們的團(tuán)隊(duì)前赴后繼一直在致力于解決這一問題，在這個工作中，集成多種先進(jìn)技術(shù)和理論，我們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。”李燦說。

李燦介紹，通過集成結(jié)合多種先進(jìn)的表征技術(shù)和理論模擬，包括時間分辨光發(fā)射電子顯微鏡（飛秒到納秒）、瞬態(tài)表面光電壓光譜（納秒到微秒）和表面光電壓顯微鏡（微秒到秒）等，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達(dá)表面反應(yīng)中心的整個機(jī)制。

時空追蹤電荷轉(zhuǎn)移的能力將極大促進(jìn)對能源轉(zhuǎn)換過程中復(fù)雜機(jī)制的認(rèn)識，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，這個成果有望促進(jìn)太陽能光催化分解水制取‘太陽燃料’在實(shí)際生活中的應(yīng)用，讓夢想逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，為我們的生產(chǎn)和生活提供清潔、綠色的能源。”李燦說。

太陽能分解水制氫有三種典型的技術(shù)路線，分別為光伏輔助電解水、光催化分解水和光電催化分解水。其中光伏輔助電解水，也就是常說的利用光伏所發(fā)綠電進(jìn)行水電解來制取綠氫。

利用光催化劑實(shí)現(xiàn)太陽能分解水制氫是最簡單、最經(jīng)濟(jì)的，裝置搭建更為容易，整體廉價、易大規(guī)模化。這一技術(shù)始自1972年，由日本東京大學(xué)Fujishima A和Honda K兩位教授首次報(bào)告發(fā)現(xiàn)TiO2單晶電極光催化分解水并產(chǎn)生氫氣這一現(xiàn)象，從而揭示了利用太陽能直接分解水來制氫的可能性，開辟了利用太陽能光解水制氫的研究道路。光催化劑目前進(jìn)入科學(xué)家視野的包括鉭酸鹽、鈮酸鹽、鈦酸鹽、多元硫化物等。

除了對催化劑的尋尋覓覓，如何實(shí)現(xiàn)高效的光生電荷的分離和傳輸也是重要一環(huán)，大連化物所這一發(fā)現(xiàn)對光催化制氫有巨大的促進(jìn)作用。

原標(biāo)題：不明覺厲！我國科學(xué)家揭秘太陽光催化制氫的“神奇魔法”