近日，我所化学反应动力学全国重点实验室超快时间分辨光谱与动力学研究组（1110组）田文明研究员团队与太阳能研究部（DNL16）李灿院士、李仁贵研究员等合作，采用超快瞬态反射显微成像技术，实现了对光催化过程中光生空穴时空演化图景的原位、全时域追踪。
人工光合成可实现光能至化学能的直接转化，是清洁能源开发的重要技术路径之一。前期，田文明团队依托超快动力学表征手段，阐明了钒酸铋材料光生载流子在不同晶面间的超快电荷分离机制（J. Am. Chem. Soc.，2024）。然而，对于真实的光催化反应而言，高效的电荷分离仅是驱动光催化反应的前提，固—液界面处仍存在载流子捕获、极化子形成及界面电荷转移等一系列复杂的光物理、光化学反应过程，这些缓慢动力学过程可能成为反应瓶颈，会产生能量损耗，从而影响光催化反应效率。
针对上述问题，本研究依托原位瞬态反射显微成像技术，以具有高效晶面间光生电荷分离特性的钒酸铋光催化剂为研究模型，实现了钒酸铋体系光生空穴时空演化动力学的全程原位追踪。研究发现，钒酸铋光催化剂的光生空穴在参与水氧化反应时会经历三步核心演化过程：一是超快电荷分离，光激发后5皮秒内完成载流子分离，在晶面各向异性内建电场驱动下光生空穴优先富集于{110} 晶面；二是缺陷俘获过程，在纳秒尺度下，自由空穴被氧相关缺陷物种缓慢捕获（时间常数约1.5纳秒）；三是缺陷介导界面电荷转移，束缚在缺陷位点的空穴发生快速跨界面输运（时间常数约19皮秒）。对比实验表明，无缺陷态介导时，价带自由空穴难以完成界面电荷转移，说明氧空位缺陷是实现界面空穴转移不可或缺的关键媒介。该工作阐明了钒酸铋光催化体系光生空穴全生命周期演化机制，为通过晶面调控与缺陷工程优化光催化材料、提升光能转化效率提供了理论参考。
研究成果以“Unraveling the evolution of photogenerated holes from charge separation to interfacial transfer in photocatalysis”为题，发表在《国家科学评论》（National Science Review）上，该工作的共同第一作者为1110组已毕业博士孙逢柯与503组博士后赵越。该研究得到了国家自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心项目、中国科学院B类先导专项“基于极紫外光源的化学反应过渡态精准探测”、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的支持。（文/图 孙逢柯）
