高被引科学家丨能源领域的“追光人”——李灿院士

公众号：高被引

学者名片

李灿，物理化学家，中国科学院院士、第三世界科学院院士，中国科学院大连化学物理研究所研究员、博士生导师，科睿唯安全球高被引科学家、洁净能源国家实验室（筹）主任，中国科学技术大学化学与材料科学学院院长，催化基础国家重点实验室主任。

研究成果介绍

背景介绍

太阳能光催化反应可以实现分解水产生氢气、还原二氧化碳产生太阳燃料，是科学领域“圣杯”式的课题，受到全世界关注。虽然在过去半个世纪的光催化研究中，人们在光催化剂制备和光催化反应研究方面做出了巨大的努力，但由于光催化反应中光生电荷的分离、转移和参与化学反应的时空复杂性，人们对该过程的基本机制一直不清楚。光催化分解水的核心科学挑战在于如何实现高效的光生电荷的分离和传输。由于这一过程跨越从飞秒到秒、从原子到微米的巨大时空尺度，揭开这一全过程的微观机制极具挑战性。

在此，来自中国科学院大连化学物理研究所的范峰滔&李灿院士等研究者，对氧化亚铜光催化剂粒子进行了时空分辨表面光电压测量，实现在单粒子水平的飞秒到秒时间尺度上绘制整体电荷转移过程。相关论文以题为“Spatiotemporal imaging of charge transfer in photocatalyst particles”于2022年10月12日发表在Nature上。

图文导读

在此，研究者通过小面工程和缺陷控制，优化了典型氧化亚铜(Cu2O)光催化剂粒子的电荷分离行为(图1a)。小面工程提供了各向异性电荷转移的潜力，并使由于小面相关缺陷形成而可能的缺陷空间控制成为可能。

图1. 将各向异性结构与表面电荷分布联系起来

调整Cu2O颗粒的小面比后，其形貌由立方变为八面体。研究者使用表面光电压显微镜(SPVM)绘制了这些粒子的表面电荷分布，发现光生电子在Cu2O立方体的{001}面比在八面体的{111}面积累更多(图1b)。结果是由于{001}面由于较高的铜空位(VCu)密度而具有更显著的p型特征。各向异性的VCu密度在含有{001}和{111}面的Cu2O粒子中产生了面间内置电场，如表面电位分布所示。有趣的是，随着{111}/{001}比值的增加，电场变得显著。与这一观察结果一致，各向异性电荷转移发生并在截断八面体构型中得到优化(图1c)。这一一致性表明，各向异性电荷转移主要是由各向异性内建电场造成的。然而，小面加工后只能在表面观察到电子。因此，研究者引入了一种空间可控缺陷工程策略，选择性地将空穴提取到Cu2O粒子的{111}表面，并保持电子转移到它们的{001}表面。氢补偿铜空位缺陷(H-VCu)被证明能够使孔萃取到Cu2O表面。密度泛函理论(DFT)计算表明，(H-VCu)缺陷更容易在{111}面形成。在此，研究者对氧化亚铜光催化剂粒子进行了时空分辨表面光电压测量，以在单粒子水平的飞秒到秒时间尺度上绘制整体电荷转移过程。研究者发现光生电子在亚皮秒时间尺度上通过面间热电子转移准弹道地转移到催化表面，而光生空穴转移到空间分离的表面，并在微秒时间尺度上通过选择性俘获稳定。研究者证明，这些超快热电子转移和各向异性俘获机制，挑战了经典的漂移扩散模型，有助于光催化中的有效电荷分离和提高光催化性能。研究者预期该发现，同样可用于说明其他光电子器件的普适性，并促进光催化剂的合理设计。

图2. E-Cu2O粒子的时间分辨光电发射电镜

图3. EH-Cu2O的瞬态SPV光谱

图4. 选择性助催化剂负载和光催化性能

目前对电荷转移过程的时空跟踪研究，为揭示光催化过程中的复杂机制建立了一个实验范式。这种能力使人们能够证明，在光催化中，准弹道的面间电子转移和空间选择性捕获，是促进有效电荷分离的主要过程。这些制度可用于描述其他光催化体系，如表面工程和铝掺杂的锶钛氧化物等。此外，它们与各向异性面和缺陷结构有关，为合理设计性能更好的光催化剂铺平了道路。

人物介绍

工作教育经历

1980年李灿从河西学院毕业后留校任教；1983年考入中国科学院大连化学物理研究所攻读硕士研究生；1989年获得中国科学院大连化学物理研究所和日本东京工业大学联合培养博士学位，之后进入中国科学院大连化学物理研究所工作；1993年晋升为研究员；2003年当选为中国科学院院士；2005年当选第三世界科学院院士；2007年出任中国科学院大连化学物理研究所副所长。

研究领域

李灿院士主要从事催化材料、催化反应和催化光谱表征方面的研究，并致力于太阳能光催化制氢以及太阳能光伏电池材料研究。

科研成果

李灿院士主要从事催化材料、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并开始商品化生产；在国际上最早利用紫外拉曼光谱解决分子筛骨架杂原子配位结构等催化领域的重大问题；最近发展短波长手性拉曼光谱和光电超快及成像光谱技术，发展了纳米笼中的手性催化合成、汽油和柴油超深度脱硫技术等并已工业化；从2001年起，致力于太阳能转化和利用科学研究，包括太阳能光（电）催化分解水、二氧化碳还原等人工光合成研究和新型太阳电池探索研究等。先后在国际上提出了异相结、双功能助催化剂和晶面间促进光生电荷分离的新概念，在光电催化领域，提出了助催化剂、空穴储存层、界面态能级调控等重要策略，为高效太阳能转化体系构筑提供了科学基础。

李院士任 “Chemical Communications”副主编，任“Journal of Catalysis”，“Journal of Physical Chemistry C”, “Journal of Molecular Catalysis A”，“Chemistry: An Asian Journal”等10余种国际刊物编委/顾问委员。任国内“催化学报”和“燃料化学学报”、“高等化学学报”等多种刊物的编委和副主编，兰州大学、大连理工大学、中国科学技术大学、清华大学、北京大学、南京大学和湖南大学等多所大学兼职教授和荣誉教授。法国巴黎皮埃尔玛丽居里大学2002/2003年度外聘教授，澳大利亚昆士兰大学荣誉教授。截至2016年，李灿在中国国内外学术刊物发表正式论文700余篇（总他引次数超过15000次）。自2018年至2022年连续五年获得科睿唯安“全球高被引科学家”称号（化学领域），在国际Elsevier Science B.V.和 Wiley出版系列中主编专著多部，获得发明专利授权70余件。

获奖及荣誉：

研究工作和个人1997年香港求是科技基金杰出青年学者奖；1998中国青年科学家奖；2004年当获国际催化奖；2014年获得催化成就奖；2016年获得“全国杰出科技人才”奖，以及先后获得国家科技发明二等奖，国家自然科学二等奖，中国科学院杰出科技成就奖，何梁何利科学技术进步奖，中国催化成就奖，中国光谱成就奖，日本光化学奖，中法化学讲座奖，亚太催化成就奖，国际催化奖以及国际清洁能源“创新使命领军者”奖；作为首席科学家，2020年主持完成全球首套千吨级液态太阳燃料甲醇合成示范项目；2021年带领团队“液态阳光甲醇合成”项目斩获首届TERA-Award 智慧能源创新大赛冠军。　　

国家自然科学基金委员会化学科学部评：

李灿长期致力于催化新材料，催化新反应及催化光谱表征等研究工作，他领导的研究集体发展了高低温一体化反应光谱技术，利用红外光谱和同位素技术观测到了稀土氧化铈等催化剂表面的超氧和过氧等分子离子氧物种，发现了分子离子氧物种的溢流现象，观察到甲烷在催化剂表面形成的活化吸附态及其结构畸变的现象，为理解甲烷的活化机理提供了实验上的证据；研制了用于催化研究的紫外拉曼光谱仪，解决了拉曼光谱用于催化研究所面临的荧光干扰和灵敏度低的问题，建立了鉴定分子筛骨架过渡金属杂原子的紫外共振拉曼方法；将均相手性催化剂通过有机-无机杂化嫁接入MCM-41分子筛的孔道，获得具有与均相不对称催化相媲美的多相纳米孔手性催化材料，观察到表面和纳米孔的手性限阈效应等，这些成就对催化科学的发展做出了重要的贡献

近期代表作

1.Direct imaging of highly anisotropic photogenerated charge separations on different facets of a single BiVO4 photocatalyst, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54,, 9111-9114.

2. Efficient visible-light-driven Z-Scheme overall water splitting using a MgTa2O6-xNy/TaON heterostructure photocatalyst for H2 evolution, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 127, 8618-8621.

3. Formal asymmetric catalytic thiolation with a bifunctional catalyst at a water-oil interface: synthesis of benzyl thiols, Angew. Chem. Int . Ed., 2015, 54, 4522-4526.

4. Terpyridine–Cu(II) targeting human telomeric DNA to produce highly stereospecific G-quadruplex DNA metalloenzyme, Chem. Sci., 2015, 6, 5578-5585.

5. Achieving solar overall water splitting with hybrid photosystems of photosystem II and artificial photocatalysts, Nat. Commun., 2014, 5, 4647.