我室太阳能研究部（DNL16）李灿院士、范峰滔研究员等在光催化全分解水高量子效率体系的微观机制研究方面取得新进展，发现光生电荷与催化反应中心之间的时空协同耦合是实现高量子效率的充分必要条件。
光催化全分解水制氢被认为是将太阳能直接转化为化学能的理想途径之一，但也是公认的光催化领域最具挑战性的课题之一。尽管该领域研究已历经数十年，其实际应用仍受限于体系较低的量子效率。大部分报道的光催化体系太阳能氢能转换效率低于10%，这一效率瓶颈主要源于光催化全分解水反应涉及光生载流子在时间尺度上跨越十余个数量级、在空间尺度上跨越微纳米尺度的复杂动力学过程。
在本工作中，团队以表观量子效率（AQE）超过90%的掺铝钛酸锶（SrTiO3:Al）光催化剂为研究体系，结合时空分辨表面光电压技术与多种光谱表征手段，揭示了Al掺杂在促进光生空穴高效分离与寿命延长方面的决定性作用，并进一步明确其与表面水吸附及氧化反应中心直接相关。研究表明，光生电荷分离动力学与表面催化反应动力学之间的时空耦合是实现高效光催化全分解水反应的决定性因素。
研究人员首先利用时空分辨表面光电压技术系统研究了Al掺杂对SrTiO3中光生电荷分离动力学的调控作用。结果表明，Al在SrTiO3中从表面至体相梯度分布，构筑了一个由体相指向表面的内建电场，可将光生空穴快速提取至表面由Al掺杂诱导形成的空穴捕获位点，使光生空穴寿命延长至毫秒级，其寿命尺度与毫微秒级的水氧化反应过程高度协同。进一步，结合固体核磁共振（27Al NMR和1H NMR）及原位红外光谱表征，研究人员发现SrTiO3:Al中Al主要以两种配位形式存在：一是取代体相Ti位点形成的AlO6八面体结构；二是取代表面Ti位点并与表面羟基配位形成的羟基化AlO6八面体结构。其中，羟基化Al位点是与水氧化反应直接相关的水分子特定吸附位点。正是由于SrTiO3:Al中Al同时承担了“长寿命光生空穴态”和“水氧化反应活性位点”这两种关键功能，实现了光生空穴与水氧化反应之间的时空协同耦合，从而解除了限制光催化全分解水反应高量子效率的瓶颈、破解了该体系接近100%高量子效率的微观机制。该研究通过协同调控电荷分离动力学与表面催化反应动力学，发现光生电荷分离动力学与表面催化反应动力学之间的时空耦合是实现高效光催化全分解水反应的决定性因素，为理性设计和合成高效光催化全解水催化剂提供了原理依据与全新的设计思路。
围绕光催化体系中光生电荷分离与转移动力学这一核心科学问题，李灿团队开展了长期而系统的研究，先后发现异相结光生电荷分离机制（Angew. Chem. Int. Ed.，2008；Angew. Chem. Int. Ed.，2012；Acc. Chem. Res.，2025）和晶面间光生电荷分离机制（Nat. Commun.，2013；Energy Environ. Sci.，2016）；自主研发了可直接表征催化剂表面光生电荷分布的表面光电压成像技术，先后实现了对微米尺度不对称晶面（Angew. Chem. Int. Ed.，2015）、相结（J. Phy. Chem. Lett.，2017）、扩散过程（Nat. Energy，2018），以及纳米尺度缺陷分布（Nano Lett.，2018）和单胞尺度退极化场（Adv. Mater.，2020；Nat. Commun.，2025）等多尺度不同电荷分离驱动力的可视化表征。此外，李灿团队进一步发展了时空分辨表面光电压技术，实现了光生电荷分离动力学在全时域范围内的追踪（Nature，2022；Nat. Protoc.，2024）。近期，李灿团队通过解耦探针远程相互作用力中的静电力，进一步实现了固-液界面表面光生电荷的直接成像（J. Am. Chem. Soc.，2025）。上述系列研究工作在光催化及光电转化领域引起了广泛关注。
相关成果以“Spatiotemporal Alignment of Hole Transfer and Water Oxidation for Highly Efficient Photocatalytic Water Splitting”为题，于近日发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。该工作的第一作者是DNL1600组群已毕业博士罗雅玲。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心、国家自然科学基金、中国科学院青年科学家基础研究项目、中央高校基本科研业务费专项基金、新基石科学基金会科学探索奖等项目的资助。（文/罗雅玲 图/崔峻豪、罗雅玲）
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69276-5
