繼科學家拍到宏觀宇宙中的黑洞照片之后，中國科學家在國際上首次拍到了一幅來自微觀世界的、特殊的“清明上河圖”。
這支“拍攝”團隊是中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱中科院大連化物所）李燦院士、范峰滔研究員團隊。他們拍到的是光催化劑光生電荷轉移演化的全時空圖像。10月12日23時，該成果在國際學術期刊《自然》雜志上發(fā)表。
評審人認為，該成果“潛在地揭示了光催化過程中不同電荷輸運機制的全貌”，解決了“當前一個很有趣卻未得到解答的問題”。
中科院大連化物所研究員李燦院士（中）、研究員范峰滔（左）和論文第一作者、副研究員陳若天（右）在儀器前討論信號分析問題。中科院大連化物所供圖
圣杯爭奪賽里的中國隊
在催化劑的幫助下，陽光把水變成燃料。這最初只是一個古老的幻想。但科學家們卻一直想把這個幻想變成現實，直至今日，光催化分解水依舊被奉為化學領域的“圣杯”。
上世紀70年代起，日本科學家開始組織研究團隊想辦法奪取“圣杯”。那時人們已經實現太陽能光催化制氫，但光催化的效率一直上不去。0.1%、0.2%、0.3%……直到90年代，代表催化效率的數值也只是勉強升到了1%左右。然而，只有在催化效率達到5%以上，太陽能光催化制氫才有可能實現工業(yè)化，只有達到10%才能與化石能源媲美。
太陽能光催化制氫的過程看上去并不復雜。水在光催化劑的作用下，接受太陽照射，產生出氫氣和氧氣，或者產生出氧氣、氫離子和被稱為“光生電荷”的電子�？墒牵谶@個并不復雜的化學反應中，催化效率為什么一直就上不去呢？
從2000年起，李燦院士團隊也加入了“圣杯爭奪賽”。和國際其他研究團隊不同，他們先花了一些時間尋找光催化效率上不去的原因，直到找到對催化效率起決定性影響的三個因素——捕光、電荷分離、催化轉化。
“過去的大部分工作多集中在篩選光催化材料和優(yōu)化器件工藝上，對光生電荷動力學和光催化動力學微觀機制的研究相對薄弱。也就是說，基礎性的重大科學問題沒有弄清楚。”李燦說。
他們判斷，太陽能光催化制氫的核心科學挑戰(zhàn)在于如何實現高效的光生電荷的分離和傳輸，了解光生電荷轉移演化的過程，就是他們接下來要解決的問題。
病房里悟出的新思路
一個電子的直徑大約只有最細的頭發(fā)絲直徑的100億分之一，要了解一個電子從哪里來，到哪里去，中間經歷了什么，談何容易。
2008年時，實驗團隊借助自主研制的光譜設備，在不同氧化鈦物相結構之間發(fā)現了一些可能是由電荷轉移演化造成的實驗現象。但李燦還是覺得差點意思。
2010年的一天，李燦身體不適，去醫(yī)院做檢查。無意中他發(fā)現醫(yī)生常用成像的方法給血管做檢查。回到病房后，恍然大悟的李燦激動地撥通了團隊成員范峰滔的電話：“我們能不能用成像的辦法，去看看光生電荷到底是怎么轉移和演化的？”
他覺得，之前的實驗，只是能夠推測出光生電荷的轉移演化大概是什么樣子，但“只有親眼看見這個過程，才能讓人更踏實”。
從那時起，給光生電荷“拍照”，就成了新目標。“發(fā)展先進的光電成像技術是前提。”李燦判斷。
于是他們和合作者們自主研發(fā)出各種儀器，又一點點提升儀器的分辨率和“快門”速度。從納米到亞納米，從微秒到皮秒，慢慢地，在全世界都找不到的儀器，一個接一個地出現在他們的實驗室里。
之后，研究人員綜合集成多種可在時空尺度銜接的技術，將多種先進的表征技術和理論模擬結合起來，讓實驗室里的時間分辨光發(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）、表面光電壓顯微鏡（微秒到秒）等儀器像接力賽一樣，接替著在不同的時間尺度和空間尺度上，為光催化劑顆粒表面的光生電荷拍照。
“清明上河圖”
李燦自己也沒想到，在第一眼看到“拍攝”出的光生電荷影像時，他的感覺會是驚訝。
“理論上我們是應該可以得到這個影像，但當我真的看到在光催化劑表面上不同部位的電荷分離成像結果時，還是吃驚。”李燦告訴《中國科學報》，“光生電荷的壽命非常短，要看到它在光催化表面布集，并且能夠成功成像，非常有挑戰(zhàn)。”
這張讓李燦驚訝與驚艷的影像，展示了對光催化劑納米顆粒表面的光生電荷從出現到消失的全時空過程。
研究人員還發(fā)現，光催化劑晶體表面上光生電荷和空穴的有效空間分離，是由于時空各向異性的電荷轉移機制共同決定的，該復雜機制可以通過各向異性晶面和缺陷結構來可控的調整。
對于這項成果的用處，李燦喜歡用“清明上河圖”來類比。
“通過清明上河圖，我們可以看到當時的社會文化，也可以用于考證一些歷史細節(jié)；光生電荷的影像就像清明上河圖一樣，我們可以從中看到電子在納米尺度上是怎樣轉移的，并分析它是怎么對我們關注的光催化效率產生影響的。”李燦說。
面對當前光催化效率依然停留在百分之一點幾的現狀，李燦感慨：“我們的研究是一項基礎研究，只是解決光催化效率問題的第一步，之后我們要做的事情很多，挑戰(zhàn)也很大。”
“圣杯爭奪賽”依然在繼續(xù)，中國隊也依然在前進。“未來，我們將繼續(xù)讓夢想逐漸變?yōu)楝F實，為我們的生產和生活提供清潔、綠色的能源。”李燦說。
單個光催化粒子從飛秒到秒光生電荷分離過程的全時空域原位動態(tài)“影像”。中科院大連化物所供圖
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05183-1
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