1972年，《Nature》發表一篇論文，提出一種利用二氧化鈦電極光解水，從而産生氫氣和氧氣的方法，以二氧化鈦為代表的光催化材料成為科學界的“寵兒”。

      二氧化鈦為什麼能被光碟機動？這要從它的結構説起。

      二氧化鈦是一種半導體，它的能級結構由能量較低的價帶和能量較高的導帶組成，價帶和導帶之間的能量差稱為帶隙能量。什麼是價帶、什麼是導帶呢？打個比方，價帶好比河流的下游，導帶好比河流的上游，電子就好比河流裏的小船。當沒有外加能量時，由於水流的作用，小船會停留在下游，即，當半導體材料處於基態時，電子全部分佈在價帶上。當小船得到了足夠的能量開動起來，就能逆流而上，來到河流的上游。即，當半導體材料得到足夠的能量，電子就能被激發，從價帶躍遷到導帶上，而所需要的這部分能量就是帶隙能量。

      如果有光照射到二氧化鈦材料上，且光的能量大於或等於帶隙能量，那麼價帶上的一部分電子就會被激發，躍遷到導帶上，在導帶上自由流動；而電子“跳”到導帶上以後，價帶上就留下了一個個空位。這個過程如果用專業的説法來描述，就是光催化材料受光激發，産生了光生電子和空穴。

      接下來，光生電子和空穴會分佈在材料表面的不同位置。空穴迫切地想要得到電子，因此具有了很強的氧化能力，而電子則表現出強烈的還原性。這就是二氧化鈦能夠在光照條件下使水分解的原因。事實上，材料的光吸收、光生電荷的體相分離、表面轉移就是光催化的三個基本過程。

      按照這個原理，光催化材料可以利用取之不盡的太陽能來電解地球上含量極其豐富的海水，從而“源源不斷”地産生氫氣和氧氣，前景可謂十分誘人。但遺憾的是，光催化材料在實際應用中存在着固有缺陷。

      其一是它的帶隙能量與太陽光譜不匹配。光催化材料對光的吸收範圍大多集中在紫外光波段，但是太陽光的能量大部分集中於400~600納米的可見光波段，紫外光只佔不到6%。這就是説，光催化材料對太陽能的利用並不算高效。

      其二是光催化反應的效率還不夠高。前面提到，光生電子和空穴會遷移到催化劑表面的不同位置，分別發生還原和氧化反應。但這只是最為理想的情況，事實上，它們還有可能在表面複合，重新結合在一起，這就會導致催化劑失活，並最終嚴重拉低光催化效率。因此，這個過程中需要想辦法讓光生電子和空穴快速分離到不同地方。

      中國科學院金屬研究所劉崗團隊通過一系列基礎研究，找到了解決這兩個問題的一些辦法。立項了基於“光催化材料的能帶與微觀結構調控”研究，他們發現，能帶結構修飾劑在光催化材料晶粒內的空間分佈是調控帶隙進而整體改變光吸收範圍的本質因素，由此提出利用原子結構通道促進擴散、利用間隙異質原子弱化強鍵來降低斷鍵能的兩類思路，使光催化材料能夠吸收的光譜範圍大大加寬。為了實現了光生電子與空穴的空間分離，他們研製出具有電荷短程遷移特徵的二維光催化材料，並設計了含非飽和/飽和價態陽離子的核/殼結構光催化材料，突破了光生電子和空穴因遷移率的內在不匹配而産生的電荷分離限制。該項目於2021年11月被授予2020年度國家自然科學獎二等獎獲獎成果。

      該團隊還實現了光催化材料的晶面選擇性暴露，闡明了晶面特徵與能帶邊位置、電荷表面轉移的關聯機制，為實現可控表面電荷轉移奠定了基礎。相關研究成果不僅有力地推動了高效太陽能驅動光催化材料的發展，還輻射到多個無機非金屬功能材料研究領域。

      （文：上海科學技術出版社《科學畫報》副編審 顧淼飛   把關專家：重慶大學化學化工學院教授 李存璞）

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