【轉(zhuǎn)載】微觀世界里的“清明上河圖”

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轉(zhuǎn)載

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    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(zhuǎn)移演化的全時空圖像。10月12日23時，該成果在國際學術(shù)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(xiàn)實，直至今日，光催化分解水依舊被奉為化學領(lǐng)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(jīng)實現(xiàn)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(shù)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(xiàn)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(chǎn)生出氫氣和氧氣，或者產(chǎn)生出氧氣、氫離子和被稱為“光生電荷”的電子。可是，在這個并不復雜的化學反應(yīng)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(zhuǎn)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(chǔ)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(xiàn)高效的光生電荷的分離和傳輸，了解光生電荷轉(zhuǎn)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(jīng)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(shè)備，在不同氧化鈦物相結(jié)構(gòu)之間發(fā)現(xiàn)了一些可能是由電荷轉(zhuǎn)移演化造成的實驗現(xiàn)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(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(xiàn)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(shù)，將多種先進的表征技術(shù)和理論模擬結(jié)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(yīng)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(jié)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(xiàn)到消失的全時空過程。

    研究人員還發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)來可控的調(diào)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(zhuǎn)移的，并分析它是怎么對我們關(guān)注的光催化效率產(chǎn)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(xiàn)狀，李燦感慨：“我們的研究是一項基礎(chǔ)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。”

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

    “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(xiàn)實，為我們的生產(chǎn)和生活提供清潔、綠色的能源。”李燦說。（來源：中國科學報?倪思潔）

相關(guān)論文信息： https://doi.org/10.1038/s41586-022-05183-1

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謝謝分享）水

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感謝分享（感覺像是會出現(xiàn)在英語閱讀的程度）

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感謝分享，感覺這個可能在英語試卷的閱讀理解中出現(xiàn)

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