文章部分作者合影。左起：范峰滔、李燦、陳若天

【不是用照相機“拍攝”】

“化學反應發生的尺度是毫秒或微秒，而光電子產生的過程則是皮秒或飛秒，相差好幾個數量級。如此時空不匹配的兩個過程，怎么會連在一起，這是一直困擾我們的問題。”李燦院士告訴解放日報·上觀新聞記者。

研究團隊自主研制并集成了多種可在時空尺度銜接的技術，包括時間分辨光發射顯微鏡（飛秒到納秒）、瞬態表面光電壓光譜（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，我們在時空全域‘拍攝’了光生電荷在納米顆粒中分離和轉移演化的全過程。這種‘拍攝’并不是用照相機進行光學成像，而是直接把電子的運動進行探針掃描。”李燦說，盡管這在理論上是成立的，但當他第一次看到實際的成像結果，還是感到非常震撼。

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圖像

【催化效率達到10%，成本將和工業制氫相當】

太陽能光催化分解水的核心挑戰在于如何實現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（電子轉移后留下的空位）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。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動力，因此，實現高效的電荷分離需要一個有效的電場。“我們將一種特定的缺陷結構，選擇性地合成到顆粒的特定晶面，有效促進了電荷的分離。”范峰滔介紹。(編者注：晶體學上的缺陷，并不是平常所說的缺點，而是實際晶體中與理想的點陣結構發生偏差的區域)

“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到5%可以進行工業化中試；達到10%，其成本將和現在的工業制氫相當。”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各階層的生活狀況，首次“拍攝”到的光生電荷轉移演化全時空圖像，將極大促進人們對能源轉換過程中復雜機制的認識，為設計性能更優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。