李灿课题组《德国应用化学》：揭示极性诱导的空间电荷分离促进光催化全分解水

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中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室中科院院士李灿、研究员李仁贵等与中科院半导体研究所研究员闫建昌团队合作，在人工光合成体系光生电荷分离研究方面取得新进展：发现极性诱导的表面电场有效促进了光生电荷的空间分离，并大幅提升光催化全分解水的活性。

　　除了晶体形貌和晶面可以被用来调控光生电荷分离外，对于大多数半导体材料来说，表面极性特征是一个极为普遍和常见的材料本征性质，然而，对于半导体材料本征极性的理性设计与调控及其对光生电荷分离的影响仍然不清楚。本工作中，研究人员选取代表性半导体氮化镓（GaN）作为模型，采用金属有机气相沉积方法制备了具有明确表面极性特征的氮化镓纳米棒阵列结构，阵列结构分别暴露顶端的极性面和垂直侧向的非极性面，研究发现GaN纳米阵列结构的极性和非极性面之间表现出明显的光生电荷分离特性，光生电子选择性地聚集在纳米棒的非极性面，而光生空穴则聚集在极性面。这是由于极性面和非极性面的表面偶极矩不同，诱导形成了不同的表面电场，从而驱动光生电子和空穴的选择性迁移，实现光生电荷的有效分离。进一步通过光电化学和光催化反应表征发现，具有极性面和非极性面的GaN纳米棒的光生电荷分离效率超过80%，较之GaN薄膜的电荷分离效率提升十倍以上，是同类材料报道的电荷分离效率最高值。同时，基于极性和非极性面之间的光生电荷分离效应，分别在极性和非极性表面构筑氧化还原双助催化剂后，可将光催化完全分解水的量子效率从0.9%提升至6.9%。该工作提出了一种普适的光生电荷分离新策略，为构筑高效人工光合成体系奠定了理论基础，同时，也为进一步加深对光生电荷分离的本质驱动力的理解和认识提供了新的思路。
　　人工光合成是国际科学领域的“圣杯式”科学课题，光生电荷分离是人工光合成太阳燃料的核心科学问题，设计开发高效的光生电荷分离策略促进光生电荷的分离和传输始终是该研究领域的热点和难点。李灿团队长期致力于人工光合成太阳燃料的前沿科学问题，取得了系列进展，先后提出异相结电荷分离机制（Angew. Chem. Int. Ed., 2008; Angew. Chem. Int. Ed., 2012），发现晶面间光生电荷分离效应（Nat. Commun. 2013），发展了高对称性半导体材料的光生电荷分离策略（Energy Environ. Sci. 2016），并自主研发了光生电荷成像表征新技术（Angew. Chem. Int. Ed., 2015; Nat. Energy, 2018），受到学术界的广泛关注。
　　研究成果“Surface polarity-induced spatial charge separation boosting photocatalytic overall water splitting on GaN nanorod arrays”以Full Article的形式在线发表在《德国应用化学》上。该研究工作得到中科院洁净能源先导科技专项、中科院重大研究项目以及国家自然科学基金委等的基金支持。


        氮化镓，分子式GaN，英文名称Gallium nitride，是氮和镓的化合物，是一种直接能隙（direct bandgap）的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器（Diode-pumped solid-state laser）的条件下，产生紫光（405nm）激光。2014年，日本名古屋大学和名城大学教授赤崎勇、名古屋大学教授天野浩和美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授中村修二因发明蓝光LED而获的当年的诺贝尔物理奖。


       李灿，男，汉族，1960年1月生于甘肃省。理学博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师。2003年当选中国科学院院士，2005年当选第三世界科学院院士，2008年当选欧洲人文和自然科学院外籍院士、英国皇家化学学会会士。任中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室（筹）主任，中法催化联合实验室中方主任，英国石油公司与中国科学院大连化学物理研究所能源创新实验室主任，兼任中国科学技术大学材料与化学学院院长。主要从事催化材料、催化反应和催化光谱表征方面的研究，研制了具有自主知识产权的国内第一台用于催化材料研究的紫外共振拉曼光谱仪。


        李仁贵，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师。于2009年于厦门大学获得学士学位，2014年于中国科学院大连化学物理研究所取得博士学位，博士期间曾赴日本东京大学K.Domen研究组进行短期的合作交流。博士毕业后申请中国科学院大连化学物理研究所“破格选拔优秀毕业生”计划，被聘为青年人才、副研究员加入催化基础国家重点实验室工作，从事太阳能光催化转化相关研究2015年被聘为硕士研究生导师，2016年入选中国科学院“青年创新促进会”会员，2018年破格晋升为研究员。2017年起任洁净能源国家实验室（筹）微纳光电材料及光催化研究组（DNL1608）课题组长。在Nature Commun., Energy Environ. Sci.，Adv. Energy Mater., Eur. Chem. J., Sci. Rep.等学术期刊发表论文20余篇，发表论文总引用1800余次。 [2]  曾受邀在关于人工光合成的Faraday Discussions 会议、全国催化大会、全国光催化与光化学学术会议以及中国科学院学部论坛-“光催化分解水”科学与技术前沿论坛做邀请报告或主旨报告等。荣获“中国催化新秀奖“（2017）、国际催化大会“青年科学家奖”（2016）、“中国科学院优秀博士论文”（2015）、“中国科学院优秀毕业生” （2014）、“中国百篇最具影响力国际学术论文”（2013）、“辽宁省自然科学学术成果奖特等奖”（2013）等。 作为项目负责人承担国家自然科学基金委“面上基金”及“青年科学基金”等项目，作为项目骨干参与973项目、基金委“重点项目群”等。