近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員范峰滔和中國(guó)科學(xué)院院士李燦團(tuán)隊(duì)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(chǎng)導(dǎo)致的電荷分離，電子和空穴的遷移性差別可產(chǎn)生擴(kuò)散控制的電荷分離過(guò)程，且后者對(duì)不同晶面的電荷分離貢獻(xiàn)更大。相關(guān)工作發(fā)表在《自然-能源》(NatureEnergy)上。

光催化過(guò)程的理解是高效利用太陽(yáng)能的前提。其中，對(duì)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(tuán)隊(duì)前期利用基于原子力顯微鏡的光電壓測(cè)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(chǎng)，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(dòng)力的來(lái)源問(wèn)題(Angew.Chem.Int.Ed.)。

在該工作中，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用空間分辨的表面光電壓譜，表征了不對(duì)稱(chēng)光照條件下單個(gè)Cu2O粒子的光生電荷分布，發(fā)現(xiàn)了對(duì)稱(chēng)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(jī)制，分別是Drifted-漂移電荷分離機(jī)制：由Cu2O的晶面內(nèi)建電場(chǎng)產(chǎn)生，在光照和陰影面呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)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(kuò)散電荷分離機(jī)制：電子和空穴的載流子遷移率差別產(chǎn)生的電荷分離過(guò)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(chǎng)導(dǎo)致的電荷分離過(guò)程，電子和空穴高達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)的遷移率差別，可以產(chǎn)生擴(kuò)散控制的電荷分離過(guò)程，且后者對(duì)不同晶面的電荷分離貢獻(xiàn)更大。基于以上認(rèn)識(shí)，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(dòng)力，并且為不對(duì)稱(chēng)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(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目、科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)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(yáng)能光催化“向陽(yáng)背陰”電荷分離機(jī)制