記者日前從中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“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了全時空探測，成功“拍攝”到光催化劑光生電荷轉移演化的全時空圖像。這在國際上尚屬首次，相關研究成果于10月12日發表在國際學術期刊《自然》上。

如果說成功“拍攝”到黑洞照片是人類認知宏觀宇宙的一項重大進展，此次全時空圖像的“拍攝”，則是對微觀世界觀測和利用的更進一步。就好比從巨幅的《清明上河圖》可以透視北宋時期都城汴京的城市面貌及其生動的人物活動，“拍攝”到的光生電荷轉移演化全時空圖像，能夠極大促進人們對能源轉換過程中復雜機制的認識。

這項發現為什么如此重要？一直以來，高效利用太陽能都被認為是潔凈能源研究領域“圣杯”式的課題。太陽能光催化反應可以實現分解水產生氫氣、還原二氧化碳產生太陽燃料，由此分解而來的氫氣是真正意義上的綠氫。在“雙碳”背景下，綠氫發展越來越受到關注。然而，這項始于上世紀70年代的研究工作，至今卻仍面臨諸多難題——反應過程看起來并不復雜，太陽能分解水效率卻依然在1.5%左右的低水平徘徊。而這一效率若能達到10%，綠氫生產成本才能與現在的工業制氫相當，突破低效瓶頸十分關鍵。

“太陽能是地球上萬物生長的能源，只要取其萬分之一的能量，就可解決人類每年消耗的各種能源之和。為什么不盡快把太陽能利用起來呢？”李燦坦言，主要原因正是利用效率偏低。“效率問題一旦解決，將引起整個世界能源格局的變化”。

記者進一步了解到，針對該領域的研究，長期多集中在應用階段，在最本質的基礎研究上關注遠遠不夠。簡單來說，后者就是要弄清楚反應為何發生、如何發生的問題。究其原因，由于光催化反應中光生電荷的分離、轉移和參與化學反應的時空復雜性，該過程的基本機制一直不清，進而制約了催化效率的進一步提升。

如今，謎團終于解開。李燦院士、范峰滔研究員等瞄準光催化領域關鍵科學問題，研究太陽能光催化電荷分離過程全時空域動態成像，揭示了復雜的多重電荷轉移機制的微觀過程，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，為突破太陽能光催化反應的瓶頸提供了新的認識和研究策略。

據李燦介紹，光催化分解水的核心科學挑戰在于，如何實現高效的光生電荷的分離和傳輸。而這一過程跨越從飛秒（一千萬億分之一秒）到秒、從原子到微米的巨大時空尺度，揭開背后的微觀機制極具挑戰性。“我們團隊前赴后繼，長期致力于解決這一問題，通過集成多種先進技術和理論，在時空全域追蹤了光生電荷在納米顆粒中分離和轉移演化的全過程。”

“通過集成結合多種先進的表征技術和理論模擬，就像接力賽一樣，第一次在一個光催化劑顆粒中跟蹤電子和空穴到表面反應中心的整個機制。”李燦表示，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。“未來，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，為我們的生產和生活提供清潔、綠色能源。”