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国际首次！中国科学家“拍摄”到光生电荷转移演化全时空图像

【导读】

《自然》近日在线发表了一项关于太阳能光催化研究的重要进展。通过综合集成多种可在时空尺度衔接的技术，中国科学院大连化学物理研究所李灿院士、范峰滔研究员等科研人员，对光催化剂纳米颗粒的光生电荷转移进行了全时空探测，在国际上首次“拍摄”到光生电荷转移演化全时空图像。

“这项研究为突破光解水催化剂电荷分离的‘瓶颈’，提供了新的认识和研究策略。”李灿强调。

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，有望为实现“双碳”目标提供重要的解决途径，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。”李灿坦言。

光催化过程中，光照射到催化剂上时，催化剂内部会产生光生电荷，即光生电子和空穴。光生电子和空穴需要从微纳米的催化剂颗粒内部分离，并转移到催化剂的表面，启动化学反应。

光催化过程的核心科学挑战在于如何实现光生电荷的高效分离和传输。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，揭开这一过程的微观机制极具挑战性。

“长期以来，我们团队一直在致力于解决这一问题。在这项研究中，我们在时空全域追踪了光生电荷在光催化剂纳米颗粒中分离和转移演化的全过程。”李灿说。

为更好地了解纳秒范围内光生电荷在催化剂内部的分离机制，研究人员使用了时间分辨光发射电子显微镜，发现了光生电子在亚皮秒时间尺度可以从一个表面移动到另一个表面。

随后，为了直接观察光生电荷的转移过程，研究人员进行了瞬时光电压分析，发现随着时间尺度从纳秒到微秒的发展，空穴逐渐出现在催化剂表面含有缺陷的晶面。

“通过集成结合多种先进的表征技术和理论模拟，包括时间分辨光发射显微镜、瞬态表面光电压光谱和表面光电压显微镜等，像接力赛一样，第一次在一个光催化剂颗粒中跟踪电子和空穴到表面反应中心的整个机制。”李灿说，时空追踪电荷转移的能力将极大促进对能源转换过程中复杂机制的认识，为理性设计性能更优的光催化剂提供了新的思路和研究方法。

“这是基础研究的重大突破。未来，这个成果有望促进太阳能光催化分解水制取太阳燃料在实际生活中的应用，让梦想逐渐变为现实，为我们的生产和生活提供清洁、绿色的能源。”李灿说。

论文信息：

标题：Spatiotemporal imaging of charge transfer in photocatalyst particles

出版信息：Nature，12 October 2022

DOI：10.1038/s41586-022-05183-1

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从彩虹读出剂量！基于光子晶体色相变化的可视化辐射探测

【导读】

南京航空航天大学材料科学与技术学院王运龙博士、马骏教授，中国科学技术大学高分子科学与工程系汪谟贞副教授与苏州大学王殳凹教授合作在Matter期刊在线发表了一篇题为“Color-phase Readout Radiochromic Photonic Crystal Dosimeter”的研究论文。

该论文提出一种基于光子晶体结构色变化的全新辐射剂量计概念，并采用多种光子晶体进行了概念验证，获得了不同灵敏度的剂量计，有望应用于辐射加工、大科学装置束流校准与放射医学剂量验证等领域。

随着核技术的发展和广泛应用，辐射加工、放射医学、大科学装置束流检测、空间辐射探测等多种需求场景对辐射剂量探测提出了新的需求。辐射致变色薄膜可通过辐射后色度的变化来测定吸收辐射剂量的绝对值，因其结构简单，制备方便，成本较低，使用便捷等优势在辐射探测领域中被广泛应用。然而，这些传统的薄膜剂量计采用比色/色度法确定吸收剂量，肉眼难以直接识别，需要借助光密度计或光谱仪读取。此外，大多数辐射致变色薄膜对温度、湿度或紫外线照射敏感，需要储存在黑暗干燥的环境中。这些问题极大的限制了其在当前和未来的应用。

与自然界中蝴蝶、变色龙、鸟类羽毛类似，光子晶体并不依靠色素来显示颜色，而是通过与光波长相仿的周期性微结构的布拉格衍射来形成虹彩色。王运龙博士将聚合物的辐射效应与光子晶体相结合，首次提出一种全新的剂量检测方案，即利用光子晶体薄膜在X或γ射线的连续照射下实现布拉格反射峰的全可见光谱移动来实现剂量检测。该光子晶体剂量计的剂量应用范围具有高度可调性和良好的空间分辨率（优于30 μm）。与传统的辐射变色剂量计相比，这种剂量计还对光、温度和湿度表现出良好的环境稳定性。更重要的是，这种光子晶体剂量计除了传统的光谱仪检测方法，还可以通过肉眼对比标准色卡，甚至利用手机拍照得到的色调值进行快捷智能的剂量识别，这为其在工业辐照、大科学装置和放射医疗中的应用提供了极大便利。

在本文提出的剂量检测系统中，由于采用剂量计的色相/波长(λmax)而不是吸光度/光密度来测量吸收剂量，使得辐射剂量的测量更加直观简便。使用色卡对比时，色相的变化不会受到环境光强变化及材料表面尘土等污渍沾染的影响。在精度要求不高的情况下，辐射剂量可以通过肉眼与预校准的标准色带对比读出。使用常见的数码相机或手机等摄影设备则可以得到更加精确的测量结果。虽然辐照过的样品的色彩在RGB空间中显示出一种无序的变化，但是在将颜色参数转换到HSV颜色空间时，其色相值则随吸收剂量单调增长，且在较大范围内有线性关系。因此，可以使用相机或者手机拍照后，通过读取剂量片辐照后的色相值来较精确的检测吸收剂量，这使得研究人员可以在实验室之外以相对较低的成本进行精确测量。

基于光子晶体材料的高度可调性，该研究为辐射累积剂量的探测开辟了一种通用的方法。研究团队已申请发明专利，并继续推进该路径在放疗中的三维剂量验证、空间辐射测量及极端辐射环境检测等场景的应用。

论文信息：

标题：Color-phase readout radiochromic photonic crystal dosimeter

出版信息：Matter，07 September 2022

DOI：10.1016/j.matt.2022.08.015

转自：“科研之友 ScholarMate”微信公众号

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