研究揭示液相反應環境下光生電荷轉移機制

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員范峰滔、中國科學院院士李燦等在光生電荷轉移原位成像研究方面取得新進展，實現了對固-液界面雙電層中緊密層電荷的定量測量，完成了對光生電荷從固相空間電荷區到表界面液相反應的全過程追蹤。研究發現，反應溶液環境對于光生電荷的分離行為具有重要影響。通過調控反應環境，團隊實現了對反應過程電荷轉移的調控，并揭示了光催化反應的更深入的機理。相關成果發表在《美國化學會志》上。

光催化分解水反應過程的光生電荷如何高效分離并到達表面參與反應是一個重要的科學問題。然而，光催化分解水反應通常發生在固-液界面，這一界面不僅存在復雜的電荷環境，還伴隨著成鍵與斷鍵過程，這些因素微妙地影響著表觀反應速率。因此，反應環境對光生電荷分離與反應的影響不容忽視。常規的電荷成像方法僅能測量氣-固界面電荷，而由于電解質溶液對探針的靜電屏蔽作用，該方法難以用于液相電荷的研究。

針對此難點，本工作中，研究團隊借助探針的荷電效應，從探針受到的遠程相互作用力中提取靜電力，將雙電層中的力場分布轉化為電場分布，進而實現液下表面光電壓的測量。結合表面光電壓顯微鏡和掃描電化學顯微鏡，研究團隊在納米尺度上，追蹤了單個BiVO₄顆粒的光生電荷從空間電荷區到反應物的轉移過程。研究發現，固-液接觸誘導的表面電荷不僅產生了額外的驅動力，還在中性電解質中將表面光電壓從90毫伏逆轉為-25毫伏。這一轉變打破了光生電子受限于n型半導體體相的常規局限，使其遷移至表面，最終導致光生電子與光生空穴驅動的電子轉移反應在空間上發生分離。

該研究有望為深入研究微納尺度光催化反應電荷轉移動力機理奠定基礎，為設計高效光催化劑和優化反應條件提供重要指導。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.4c10300