瞬态显微成像技术揭示光催化剂单晶中超快电荷分离机制

太阳能光催化反应可以通过分解水、还原二氧化碳等产生太阳燃料，是一种极具前景的清洁能源获取方式。光催化是一个包含光吸收、光生电荷分离与转移、表面催化反应等众多步骤的复杂光物理、光化学过程。其中，光生电荷分离过程是光催化反应的关键步骤之一。钒酸铋光催化剂因其具有出色的捕光能力、低毒性、高光稳定性和环境友好等诸多优点，使得其在光催化和光电催化领域得到广泛研究。钒酸铋的形貌和晶面工程本质上决定了其电荷分离性能和光催化活性。针对单个光催化剂晶体上的光生电子和空穴进行空间和时间分辨率的动态追踪，对于揭示复杂的光催化过程至关重要。

近期，中国科学院大连化学物理研究所金盛烨研究员（点击查看介绍）、田文明研究员（点击查看介绍）团队与中国科学院大连化学物理研究所李灿院士（点击查看介绍）、李仁贵研究员（点击查看介绍）团队合作，采用了兼具时间和空间分辨率的超快瞬态反射显微成像技术，揭示了钒酸铋光催化剂单晶中的超快电荷分离过程。

在本工作中，作者首先基于传统的泵浦-探测瞬态光谱技术，开发了适用于微米尺度光催化剂单晶检测的瞬态反射显微成像技术，并以晶面调控的截角八面体钒酸铋单晶作为研究对象。作者测量了该样品的微区瞬态反射光谱（图1a），并且通过在催化剂表面负载电子、空穴受体指认了该样品中的电子、空穴信号。结果表明，电子和空穴信号分别出现在瞬态反射光谱的近带边区域（~460 nm）和长波区域（>500 nm），电子、空穴信号以及瞬态反射光谱的分解结果如图1b-d所示。

图1. 截角八面体钒酸铋单晶的微区瞬态反射光谱与其中电子、空穴信号的指认及拆分结果

进一步，作者根据上述电子、空穴光谱指认结果选择了特定探测波长，利用瞬态反射显微成像技术实现了钒酸铋单晶中光生电子、空穴的时空分辨成像，证实了钒酸铋单晶具有晶面选择的电荷分离特性，成像结果及电荷分离机理示意图如图2、图3所示。结果表明，光生电子、空穴经历不同的分离过程。在内建电场驱动下，光生电子、空穴首先发生一个超快的（皮秒时间尺度）电荷分离过程，光生电子在纳秒时间尺度内迅速局域化形成小极化子，而光生空穴则以自由空穴的形式存在，并在内建电场的驱动下继续分离。该超快电荷分离过程能够在很大程度上避免由于载流子复合带来的光生电荷损耗。研究结果揭示了光催化过程中电荷分离动力学机制，对于光催化剂的合理设计具有重要指导意义。

图2. 样品中电子、空穴信号的瞬态反射显微成像结果

图3. 光生电子、空穴分离机制

研究成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。该工作的共同第一作者为中国科学院大连化学物理研究所博士研究生孙逢柯和博士研究生邓玉婷，通讯作者为田文明研究员和李仁贵研究员，上述工作得到了中国科学院基础研究领域青年团队、国家自然科学基金、兴辽计划青年拔尖人才等项目的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Visualizing Ultrafast Photogenerated Electron and Hole Separation in Facet-Engineered Bismuth Vanadate Crystals

Fengke Sun, Yuting Deng, Jing Leng, Ming Shi, Can Li, Shengye Jin, Rengui Li*, Wenming Tian*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c10962

导师介绍

金盛烨

https://www.x-mol.com/university/faculty/22683 

田文明

https://www.x-mol.com/university/faculty/386103 

课题组网页：

金盛烨、田文明团队：

http://www.utrspd.dicp.ac.cn/ 

李灿、李仁贵团队：

http://www.canli.dicp.ac.cn/ 

李仁贵

https://www.x-mol.com/university/faculty/65722 

李灿

https://www.x-mol.com/groups/canligroup