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太陽光是一種豐富的可再生能源，通過和光催化劑發生作用，可以催化分解水產生氫氣，以及還原二氧化碳產生太陽燃料（太陽能、水和含碳化合物轉化的燃料）。我國科學家近期“拍攝”到光催化劑光生電荷轉移演化全時空圖像，為突破太陽能光催化反應瓶頸、更加高效利用太陽能提供了新的認識和研究策略。

記者從中國科學院獲悉，該研究由中科院大連化物所李燦院士、范峰滔研究員等完成，相關成果12日在國際學術期刊《自然》在線發表。

單個光催化粒子從飛秒（千萬億分之一秒）到秒光生電荷分離過程的全時空域原位動態圖像。（中科院大連化物所 供圖）

由于太陽能光催化反應在清潔能源生產中的巨大應用潛力，國內外科學家多年來在該領域開展了大量研究。然而，光激發產生的電荷是如何分離、轉移和參與化學反應的？長期以來，這一關鍵過程的基礎科學問題并不明晰。

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

此項研究中，科研人員綜合集成多種可在時空尺度銜接的技術，對光催化劑納米顆粒的光生電荷轉移進行全時空探測，首次在一個光催化劑顆粒中跟蹤了電子和空穴到表面反應中心的整個機制。他們還明確了電荷分離機制與光催化分解水效率之間的本質關聯。

“時空追蹤電荷轉移的能力將極大促進對能源轉換過程中復雜機制的認識，為理性設計性能更優的光催化劑提供了新的思路和研究方法。”李燦說，該成果有望促進太陽能光催化分解水制取太陽燃料在實際生活中的應用，提供更多清潔、綠色的能源。