【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，大連化物所太陽能研究部(DNL16)范峰滔研究員、李燦院士等在光生電荷轉(zhuǎn)移原位成像研究方面取得新進展，實現(xiàn)了對固-液界面雙電層中緊密層電荷的定量測量，完成了對光生電荷從固相空間電荷區(qū)到表界面液相反應的全過程追蹤。研究發(fā)現(xiàn)，反應溶液環(huán)境對于光生電荷的分離行為具有重要影響。通過調(diào)控反應環(huán)境，團隊實現(xiàn)了對反應過程電荷轉(zhuǎn)移的調(diào)控，并揭示了光催化反應的更深入的機理。
 

 

　　光催化分解水反應過程的光生電荷如何高效分離并到達表面參與反應是一個重要的科學問題。李燦領(lǐng)導的太陽能研究部長期致力于(光生)電荷轉(zhuǎn)移表征的前沿科學探索，并取得了一系列成果，特別是通過自主研發(fā)的表面光電壓顯微鏡，深入研究了固-氣界面的表面光生電荷分布及其輸運機制，實現(xiàn)了全時空光生電荷傳輸動力學成像(Nature，2022；Nat. Protoc.，2024)；利用該診斷策略發(fā)現(xiàn)了Ti缺陷填充的界面優(yōu)化方式，打通了極化面和助催化劑之間的電子轉(zhuǎn)移通路，釋放了鐵電體強電場的巨大驅(qū)動力(Nat. Commun.，2025)。
 

　　然而，光催化分解水反應通常發(fā)生在固-液界面，這一界面不僅存在復雜的電荷環(huán)境，還伴隨著成鍵與斷鍵過程，這些因素微妙地影響著表觀反應速率。因此，反應環(huán)境對光生電荷分離與反應的影響不容忽視。常規(guī)的電荷成像方法僅能測量氣-固界面電荷，而由于電解質(zhì)溶液對探針的靜電屏蔽作用，該方法難以用于液相電荷的研究。
 

　　針對此難點，本工作中，研究團隊借助探針的荷電效應，從探針受到的遠程相互作用力中提取靜電力，將雙電層中的力場分布轉(zhuǎn)化為電場分布，進而實現(xiàn)液下表面光電壓的測量。結(jié)合表面光電壓顯微鏡(SPVM)和掃描電化學顯微鏡(SECM)，研究團隊在納米尺度上，追蹤了單個BiVO4顆粒的光生電荷從空間電荷區(qū)到反應物的轉(zhuǎn)移過程。研究發(fā)現(xiàn)，固-液接觸誘導的表面電荷不僅產(chǎn)生了額外的驅(qū)動力，還在中性電解質(zhì)中將表面光電壓從90 mV逆轉(zhuǎn)為-25 mV。這一轉(zhuǎn)變打破了光生電子受限于n型半導體體相的常規(guī)局限，使其遷移至表面，最終導致光生電子與光生空穴驅(qū)動的電子轉(zhuǎn)移反應在空間上發(fā)生分離。上述成像范式可直接獲得反應條件下的表面電勢和反應的電流，有望為深入研究微納尺度光催化反應電荷轉(zhuǎn)移動力機理奠定基礎(chǔ)，為設(shè)計高效光催化劑和優(yōu)化反應條件提供重要指導。
 

　　上述工作以“Impact of Reaction Environment on Photogenerated Charge Transfer Demonstrated by Sequential Imaging”為題，發(fā)表在《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)上。該工作的第一作者是我所503組博士研究生李倩。該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、國家自然科學基金委“人工光合成”基礎(chǔ)科學中心項目、中國科學院青年科學家基礎(chǔ)研究項目、中央高校基本科研業(yè)務費專項資金、新基石科學基金會科學探索獎等項目的資助。(文/圖 李倩、崔峻豪)