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(xué)反應(yīng)發(fā)生的尺度是毫秒或微秒，而光電子產(chǎn)生的過程則是皮秒或飛秒，相差好幾個數(shù)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(shù)，包括時間分辨光發(fā)射顯微鏡（飛秒到納秒）、瞬態(tài)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(zhuǎn)移演化的全過程。這種‘拍攝’并不是用照相機進行光學(xué)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(dāng)他第一次看到實際的成像結(jié)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(tài)圖像

【催化效率達到10%，成本將和工業(yè)制氫相當(dāng)】

太陽能光催化分解水的核心挑戰(zhàn)在于如何實現(xiàn)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(zhuǎn)移后留下的空位）需要從微納米顆粒內(nèi)部分離，并轉(zhuǎn)移到催化劑的表面，從而啟動化學(xué)反應(yīng)。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(qū)動力，因此，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，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(xué)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(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)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(yè)化中試；達到10%，其成本將和現(xiàn)在的工業(yè)制氫相當(dāng)。”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(zhuǎn)移演化全時空圖像，將極大促進人們對能源轉(zhuǎn)換過程中復(fù)雜機制的認識，為設(shè)計性能更優(yōu)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。