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國(guó)際首次!中國(guó)科學(xué)家“拍攝”的全時(shí)空?qǐng)D像,突破太陽能分解水制氫“瓶頸”
日期:2022-10-13   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:yutianyang_tsj 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]

氫能是一種綠色能源,用太陽能分解水制氫,是科學(xué)領(lǐng)域“圣杯”式的課題,受到全世界關(guān)注。在過去半個(gè)世紀(jì)的研究中,由于人們對(duì)這一全過程的微觀機(jī)制一直不清楚,太陽能分解水的效率依然在1.5%的低水平徘徊。

日前,中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士、范峰滔研究員等人揭開了這一極具挑戰(zhàn)性的謎團(tuán)。他們?cè)趪?guó)際上首次“拍攝”到光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時(shí)空?qǐng)D像,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),為突破太陽能光催化反應(yīng)的“瓶頸”提供了新的認(rèn)識(shí)和研究策略。相關(guān)研究于2022年10月12日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表,第一作者為大連化物所陳若天副研究員和任澤峰研究員。



文章部分作者合影。左起:范峰滔、李燦、陳若天

【不是用照相機(jī)“拍攝”】

“化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的尺度是毫秒或微秒,而光電子產(chǎn)生的過程則是皮秒或飛秒,相差好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。如此時(shí)空不匹配的兩個(gè)過程,怎么會(huì)連在一起,這是一直困擾我們的問題。”李燦院士告訴解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾摺?br />
研究團(tuán)隊(duì)自主研制并集成了多種可在時(shí)空尺度銜接的技術(shù),包括時(shí)間分辨光發(fā)射顯微鏡(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。

“就像接力賽一樣,我們?cè)跁r(shí)空全域‘拍攝’了光生電荷在納米顆粒中分離和轉(zhuǎn)移演化的全過程。這種‘拍攝’并不是用照相機(jī)進(jìn)行光學(xué)成像,而是直接把電子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行探針掃描。”李燦說,盡管這在理論上是成立的,但當(dāng)他第一次看到實(shí)際的成像結(jié)果,還是感到非常震撼。


單個(gè)光催化粒子從飛秒到秒光生電荷分離過程的全時(shí)空域原位動(dòng)態(tài)圖像

【催化效率達(dá)到10%,成本將和工業(yè)制氫相當(dāng)】

太陽能光催化分解水的核心挑戰(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(電子轉(zhuǎn)移后留下的空位)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(dòng)化學(xué)反應(yīng)。在如此微小的物理尺度上,光催化劑往往缺乏分離電荷所需的驅(qū)動(dòng)力,因此,實(shí)現(xiàn)高效的電荷分離需要一個(gè)有效的電場(chǎng)。“我們將一種特定的缺陷結(jié)構(gòu),選擇性地合成到顆粒的特定晶面,有效促進(jìn)了電荷的分離。”范峰滔介紹。(編者注:晶體學(xué)上的缺陷,并不是平常所說的缺點(diǎn),而是實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域)



范峰滔和陳若天討論光路設(shè)計(jì)方案

“目前太陽能光催化分解水的效率大約是1.5%,如果光催化劑的效率達(dá)到5%可以進(jìn)行工業(yè)化中試;達(dá)到10%,其成本將和現(xiàn)在的工業(yè)制氫相當(dāng)。”李燦說。

猶如《清明上河圖》得以“窺見”北宋都城的城市面貌和社會(huì)各階層的生活狀況,首次“拍攝”到的光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時(shí)空?qǐng)D像,將極大促進(jìn)人們對(duì)能源轉(zhuǎn)換過程中復(fù)雜機(jī)制的認(rèn)識(shí),為設(shè)計(jì)性能更優(yōu)的光催化劑提供新的思路和研究方法。一旦有了高效的光催化劑,將為人們提供清潔、綠色的氫能。

原標(biāo)題:國(guó)際首次!中國(guó)科學(xué)家“拍攝”的全時(shí)空?qǐng)D像,突破太陽能分解水制氫“瓶頸”
 
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來源:上觀
 
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