近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員范峰滔和中國科學(xué)院院士李燦團隊利用自主研發(fā)的表面光電壓成像儀器，闡明相比于傳統(tǒng)的內(nèi)建電場導(dǎo)致的電荷分離，電子和空穴的遷移性差別可產(chǎn)生擴散控制的電荷分離過程，且后者對不同晶面的電荷分離貢獻更大。相關(guān)工作發(fā)表在《自然-能源》(NatureEnergy)上。

光催化過程的理解是高效利用太陽能的前提。其中，對半導(dǎo)體光催化中光激發(fā)電子和空穴的有效分離和遷移的理解是提高光催化效率的關(guān)鍵。李燦團隊前期利用基于原子力顯微鏡的光電壓測量技術(shù)，在單顆粒納米晶粒子的光生電荷分離方面取得了一系列成果：2013年，在規(guī)則暴露晶面的BiVO4半導(dǎo)體催化劑上，利用化學(xué)氧化還原探針，確認(rèn)了BiVO4不同晶面之間的光生電荷分離效應(yīng)(Nature Comm.);2015年，利用自主研發(fā)的納米分辨表面光電壓譜，揭示出半導(dǎo)體不同晶面空間電荷層存在各向異性的內(nèi)建電場，可以表現(xiàn)出數(shù)十倍差別的空穴遷移各向異性，回答了晶面電荷分離驅(qū)動力的來源問題(Angew.Chem.Int.Ed.)。

在該工作中，研究團隊進一步利用空間分辨的表面光電壓譜，表征了不對稱光照條件下單個Cu2O粒子的光生電荷分布，發(fā)現(xiàn)了對稱Cu2O粒子可以產(chǎn)生明顯的電荷有效分離——空穴傳輸?shù)捷椪諈^(qū)，電子傳輸?shù)疥幱皡^(qū)。該工作區(qū)分了兩種電荷分離機制，分別是Drifted-漂移電荷分離機制：由Cu2O的晶面內(nèi)建電場產(chǎn)生，在光照和陰影面呈現(xiàn)對稱分布，僅有利于光生少子遷移至表面，其表面光電壓為10mV;以及Diffused-擴散電荷分離機制：電子和空穴的載流子遷移率差別產(chǎn)生的電荷分離過程，Cu2O向光面和背陰面光電壓差40mV。定量數(shù)據(jù)表明，除傳統(tǒng)的內(nèi)建電場導(dǎo)致的電荷分離過程，電子和空穴高達兩個數(shù)量級的遷移率差別，可以產(chǎn)生擴散控制的電荷分離過程，且后者對不同晶面的電荷分離貢獻更大。基于以上認(rèn)識，將氧化還原催化劑分別沉積于單晶粒子的相應(yīng)晶面，光催化性能可以提高300%。該研究不僅揭示光催化材料中一種新的且有效的電荷分離驅(qū)動力，并且為不對稱的助催化組裝，以及空間可控的氧化還原反應(yīng)提供了新的策略。

該工作得到了科技部“973”項目、國家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)項目、科研儀器設(shè)備研制項目和教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心(iChEM)的資助。

大連化物所揭示太陽能光催化“向陽背陰”電荷分離機制