光催化分解水制氫是利用太陽能制備燃料的最具挑戰(zhàn)性的反應(yīng)之一，其中基于半導(dǎo)體的光催化中光激發(fā)電子和空穴的有效分離和遷移是提高光催化效率的關(guān)鍵。李燦研究團(tuán)隊(duì)為解決這一核心科學(xué)問題進(jìn)行了不懈努力：通過構(gòu)筑CdS/MoS₂異質(zhì)結(jié)取得比傳統(tǒng)貴金屬Pt負(fù)載的Pt/CdS光催化劑更好的分解水制氫活性(J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 7176-7177)；在國際上首次報(bào)道構(gòu)筑TiO₂不同相之間的“異相結(jié)”可大幅度提升光催化產(chǎn)氫的活性(Angew. Chem. Int. Ed., 120: 1766-1769 2008)，最近又在以α,β-Ga₂O₃為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體光催化劑上發(fā)現(xiàn)“異相結(jié)”可以促進(jìn)光催化分解純水制氫性能，并初步揭示了其提高光催化活性的本質(zhì)(Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 13089-13092)。至此，基于半導(dǎo)體的光生電荷分離可以通過構(gòu)筑p-n結(jié)、異質(zhì)結(jié)和異相結(jié)等來實(shí)現(xiàn)，這些過程都是在不同材料間發(fā)生，而對于同一個材料中的光生電荷分離機(jī)制尚不清楚。

在這項(xiàng)工作中，選取BiVO₄這一具有規(guī)則暴露晶面的半導(dǎo)體材料為模型催化劑，通過光還原沉積和光氧化沉積發(fā)現(xiàn)BiVO₄不同暴露晶面具有不同的氧化還原性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)中觀察到貴金屬的光還原沉積能夠選擇性地發(fā)生在{010}晶面上，而金屬氧化物的光氧化沉積選擇性地發(fā)生在{110}晶面上，從而確認(rèn)BiVO₄的不同晶面之間的光生電荷分離效應(yīng)；更進(jìn)一步將氧化和還原助催化劑同時(shí)選擇性擔(dān)載到氧化和還原的晶面時(shí)，可以將光催化性能提高兩個數(shù)量級，這為進(jìn)一步設(shè)計(jì)構(gòu)筑高效的太陽能轉(zhuǎn)化體系提供了新的策略。

該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、中國科學(xué)院太陽能行動計(jì)劃和科技部973項(xiàng)目的資助。（文/圖 李仁貴、章福祥）