光催化全分解水高量子效率体系获揭示

近日，中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员李灿，研究员范峰滔等在光催化全分解水高量子效率体系的微观机制研究方面取得新进展。他们发现光生电荷与催化反应中心之间的时空协同耦合，是实现高量子效率的充分必要条件。相关成果发表在《自然-通讯》。

光催化全分解水高量子效率体系示意图。大连化物所供图

光催化全分解水制氢被认为是将太阳能直接转化为化学能的理想途径之一，但也是公认的光催化领域最具挑战性的课题之一。尽管该领域研究已历经数十年，其实际应用仍受限于体系较低的量子效率。大部分报道的光催化体系太阳能氢能转换效率低于10%，这一效率瓶颈主要源于光催化全分解水反应涉及光生载流子在时间尺度上跨越十余个数量级、在空间尺度上跨越微纳米尺度的复杂动力学过程。

在本工作中，团队以表观量子效率（AQE）超过90%的掺铝钛酸锶（SrTiO3:Al）光催化剂为研究体系，结合时空分辨表面光电压技术与多种光谱表征手段，揭示了Al掺杂在促进光生空穴高效分离与寿命延长方面的决定性作用，并进一步明确其与表面水吸附及氧化反应中心直接相关。研究发现羟基化Al位点是与水氧化反应直接相关的水分子特定吸附位点。正是由于SrTiO3:Al中Al同时承担了“长寿命光生空穴态”和“水氧化反应活性位点”这两种关键功能，实现了光生空穴与水氧化反应之间的时空协同耦合，从而解除了限制光催化全分解水反应高量子效率的瓶颈、破解了该体系接近100%高量子效率的微观机制。

该研究通过协同调控电荷分离动力学与表面催化反应动力学，发现光生电荷分离动力学与表面催化反应动力学之间的时空耦合是实现高效光催化全分解水反应的决定性因素，为理性设计和合成高效光催化全解水催化剂提供了原理依据与全新的设计思路。