近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室太陽能研究部李燦院士、范峰滔研究員等在光電極表面的液相原位光電壓成像研究中取得新進(jìn)展，巧妙的結(jié)合間距可調(diào)的Pt/Si光電極解耦催化位點(diǎn)和光生電荷的濃度，揭示了光電催化中表面電荷密度和催化反應(yīng)間的線性規(guī)律。
大連化物所揭示光電催化中表面電荷和催化反應(yīng)間的線性規(guī)律
光電化學(xué)制氫是實(shí)現(xiàn)太陽能到可再生氫能的重要途徑。其核心的科學(xué)問題之一是如何理解光電化學(xué)中界面電荷轉(zhuǎn)移和表面催化反應(yīng)間的關(guān)系。對(duì)于光生電荷參與的催化反應(yīng)，電極/溶液界面微納尺度下的復(fù)雜性使得電荷轉(zhuǎn)移和催化反應(yīng)位點(diǎn)存在空間不一致等問題。理解局部表面電荷如何影響光電催化中產(chǎn)氫活性，以及如何在反應(yīng)位點(diǎn)上揭示二者之間規(guī)律，對(duì)科學(xué)層面上認(rèn)識(shí)光電化學(xué)和理性構(gòu)筑光電體系非常重要。
本工作中，該團(tuán)隊(duì)利用液相原位空間分辨的光電壓方法，并結(jié)合間距可調(diào)的Pt陣列/Si光電極研究體系，巧妙地解耦了表面催化反應(yīng)和光生電荷轉(zhuǎn)移過程。通過同時(shí)調(diào)控Pt陣列間距和偏壓，研究人員發(fā)現(xiàn)光電極中表面局域催化反應(yīng)位點(diǎn)上的光生電荷密度，是按照線性關(guān)系來約束催化反應(yīng)電流的；與電催化不同的是，偏壓在這個(gè)體系中并不直接改變表面催化反應(yīng)的活化能，而是通過影響表面電荷的濃度來約束催化性能。
李燦團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于太陽能光催化、光電催化、電催化以及催化光譜表征的前沿科學(xué)研究，取得了系列成果。特別是利用自主研發(fā)的空間分辨的表面光電壓顯微鏡對(duì)光催化劑表面光生電荷給出了可視化圖像，在國(guó)際上最早將其應(yīng)用到微納尺度光催化材料電荷分離的成像研究（Angew. Chem. Int. Ed.，2015；Nature Energy，2018；Angew. Chem. Int. Ed.，2020等）中。近期，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了液相反應(yīng)條件下化學(xué)反應(yīng)以及內(nèi)電勢(shì)分布的微納米成像（Nano Letters，2021）。
相關(guān)研究成果以“Identifying the Role of the Local Charge Density on the Hydrogen Evolution Reaction of the Photoelectrode”為題，發(fā)表在《物理化學(xué)快報(bào)》（J. Phys. Chem. Lett.）上。該工作的第一作者是大連化物所博士研究生聶偉。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、“人工光合成”基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目（FReCAP）、中科院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、大連化物所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。
