近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中科院院士李燦、研究員李仁貴等與中科院半導(dǎo)體研究所研究員閆建昌團(tuán)隊(duì)合作，在人工光合成體系光生電荷分離研究方面取得新進(jìn)展：發(fā)現(xiàn)極性誘導(dǎo)的表面電場有效促進(jìn)了光生電荷的空間分離，并大幅提升光催化全分解水的活性。
　　除了晶體形貌和晶面可以被用來調(diào)控光生電荷分離外，對于大多數(shù)半導(dǎo)體材料來說，表面極性特征是一個極為普遍和常見的材料本征性質(zhì)，然而，對于半導(dǎo)體材料本征極性的理性設(shè)計(jì)與調(diào)控及其對光生電荷分離的影響仍然不清楚。本工作中，研究人員選取代表性半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）作為模型，采用金屬有機(jī)氣相沉積方法制備了具有明確表面極性特征的氮化鎵納米棒陣列結(jié)構(gòu)，陣列結(jié)構(gòu)分別暴露頂端的極性面和垂直側(cè)向的非極性面，研究發(fā)現(xiàn)GaN納米陣列結(jié)構(gòu)的極性和非極性面之間表現(xiàn)出明顯的光生電荷分離特性，光生電子選擇性地聚集在納米棒的非極性面，而光生空穴則聚集在極性面。這是由于極性面和非極性面的表面偶極矩不同，誘導(dǎo)形成了不同的表面電場，從而驅(qū)動光生電子和空穴的選擇性遷移，實(shí)現(xiàn)光生電荷的有效分離。進(jìn)一步通過光電化學(xué)和光催化反應(yīng)表征發(fā)現(xiàn)，具有極性面和非極性面的GaN納米棒的光生電荷分離效率超過80%，較之GaN薄膜的電荷分離效率提升十倍以上，是同類材料報(bào)道的電荷分離效率最高值。同時(shí)，基于極性和非極性面之間的光生電荷分離效應(yīng)，分別在極性和非極性表面構(gòu)筑氧化還原雙助催化劑后，可將光催化完全分解水的量子效率從0.9%提升至6.9%。該工作提出了一種普適的光生電荷分離新策略，為構(gòu)筑高效人工光合成體系奠定了理論基礎(chǔ)，同時(shí)，也為進(jìn)一步加深對光生電荷分離的本質(zhì)驅(qū)動力的理解和認(rèn)識提供了新的思路。
　　人工光合成是國際科學(xué)領(lǐng)域的“圣杯式”科學(xué)課題，光生電荷分離是人工光合成太陽燃料的核心科學(xué)問題，設(shè)計(jì)開發(fā)高效的光生電荷分離策略促進(jìn)光生電荷的分離和傳輸始終是該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。李燦團(tuán)隊(duì)長期致力于人工光合成太陽燃料的前沿科學(xué)問題，取得了系列進(jìn)展，先后提出異相結(jié)電荷分離機(jī)制（Angew. Chem. Int. Ed., 2008; Angew. Chem. Int. Ed., 2012），發(fā)現(xiàn)晶面間光生電荷分離效應(yīng)（Nat. Commun. 2013），發(fā)展了高對稱性半導(dǎo)體材料的光生電荷分離策略（Energy Environ. Sci. 2016），并自主研發(fā)了光生電荷成像表征新技術(shù)（Angew. Chem. Int. Ed., 2015; Nat. Energy, 2018），受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
　　研究成果“Surface polarity-induced spatial charge separation boosting photocatalytic overall water splitting on GaN nanorod arrays”以Full Article的形式在線發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上。該研究工作得到中科院潔凈能源先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中科院重大研究項(xiàng)目以及國家自然科學(xué)基金委等的基金支持。
　　大連化物所揭示極性誘導(dǎo)的空間電荷分離促進(jìn)光催化全分解水