近日，我所太阳能研究部（DNL16）范峰滔研究员、李灿院士等在光生电荷转移原位成像研究方面取得新进展，实现了对固-液界面双电层中紧密层电荷的定量测量，完成了对光生电荷从固相空间电荷区到表界面液相反应的全过程追踪。研究发现，反应溶液环境对于光生电荷的分离行为具有重要影响。通过调控反应环境，团队实现了对反应过程电荷转移的调控，并揭示了光催化反应的更深入的机理。
光催化分解水反应过程的光生电荷如何高效分离并到达表面参与反应是一个重要的科学问题。李灿领导的太阳能研究部长期致力于（光生）电荷转移表征的前沿科学探索，并取得了一系列成果，特别是通过自主研发的表面光电压显微镜，深入研究了固-气界面的表面光生电荷分布及其输运机制，实现了全时空光生电荷传输动力学成像（Nature，2022；Nat. Protoc.，2024）；利用该诊断策略发现了Ti缺陷填充的界面优化方式，打通了极化面和助催化剂之间的电子转移通路，释放了铁电体强电场的巨大驱动力（Nat. Commun.，2025）。
然而，光催化分解水反应通常发生在固-液界面，这一界面不仅存在复杂的电荷环境，还伴随着成键与断键过程，这些因素微妙地影响着表观反应速率。因此，反应环境对光生电荷分离与反应的影响不容忽视。常规的电荷成像方法仅能测量气-固界面电荷，而由于电解质溶液对探针的静电屏蔽作用，该方法难以用于液相电荷的研究。
针对此难点，本工作中，研究团队借助探针的荷电效应，从探针受到的远程相互作用力中提取静电力，将双电层中的力场分布转化为电场分布，进而实现液下表面光电压的测量。结合表面光电压显微镜（SPVM）和扫描电化学显微镜（SECM），研究团队在纳米尺度上，追踪了单个BiVO4颗粒的光生电荷从空间电荷区到反应物的转移过程。研究发现，固-液接触诱导的表面电荷不仅产生了额外的驱动力，还在中性电解质中将表面光电压从90 mV逆转为-25 mV。这一转变打破了光生电子受限于n型半导体体相的常规局限，使其迁移至表面，最终导致光生电子与光生空穴驱动的电子转移反应在空间上发生分离。上述成像范式可直接获得反应条件下的表面电势和反应的电流，有望为深入研究微纳尺度光催化反应电荷转移动力机理奠定基础，为设计高效光催化剂和优化反应条件提供重要指导。
上述工作以“Impact of Reaction Environment on Photogenerated Charge Transfer Demonstrated by Sequential Imaging”为题，发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该工作的第一作者是我所503组博士研究生李倩。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心项目、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资金、新基石科学基金会科学探索奖等项目的资助。（文/图 李倩、崔峻豪）
文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c10300
