近日，我组李灿院士、范峰滔研究员等人发表了题为“Advanced space- and time-resolved techniques for nanoparticle photocatalysts studies”的综述文章（Chemical Communications, 2019.DOI: 10.1039/C9CC07128H）。
人工光合作用将太阳能转化为化学能，是利用太阳能的主要途径。光生电子和空穴的高效分离是人工光合作用的核心科学问题，对其进行时空分辨光谱的研究将为理解光合成反应机理提供实验基础和证据。然而人们对于光催化过程中光生电荷在界面传输的过程、光催化剂表面的电荷分布、催化剂表面活性中心以及反应动力学的认识还很有限。过去几年，我组一直致力于发展用于表征光催化过程中光生电荷的分离和传输、表/界面结构、催化反应位点的时间和空间分辨光谱。在国际上率先研发了表面光电压显微镜（SPVM），发表了一系列国际上有影响力的文章。我组首次揭示了BiVO4单晶不同晶面间电荷分离本质（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 9111），以及双助催化剂在电荷分离中的作用（Nano Lett. 2017, 17, 6735），证明了TiO2异相结电荷分离机制（J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 1419），发现了Cu2O单颗粒上向阳背阴电荷分离机制（Nature Energy, 2018, 3, 655）。针对上述问题的研究有助于在空间微纳尺度上理解光催化剂中光生电荷分离和空间分布，为光催化反应机理的研究提供理论指导。
在此基础上，我组系统地总结了国际上前沿的用于研究光催化剂的时间、空间表征方法，包括光学显微镜（荧光显微镜PL，拉曼显微镜RM，瞬态吸收显微镜TAM）、电子显微镜（扫描透射电子显微镜STEM，四维超快电镜4D-UEM）、扫描探针显微镜（开尔文力显微镜KPFM，静电力显微镜EFM，导电原子力显微镜C-AFM，超快扫描隧道显微镜USTM，扫描电化学显微镜SECM））。该文章重点介绍了利用先进的表征手段用来揭示光催化剂在空间和时间上的物理和化学性质，综述了近年来在光生电荷产生、转移和复合的微观机制以及表面反应动力学方面取得的重要进展，同时还总结了各种时空表征方法的优点和局限性。最后，文章还展望了原位in-situ/operando 表征方法以及多维度探测手段结合的发展。
该工作得到了科技部973项目，国家自然科学基金，中科院先导项目、科研仪器设备研制项目和教育部能源材料化学协同创新中心(iChEM)的资助。
（文/高玉英 图/范峰滔）
