物理学院周勇教授与中科院大连化物所范峰滔研究员密切合作，在光催化还原CO₂方面取得重要进展，最新研究成果以《Construction and Nanoscale Detection of Interfacial Charge Transfer of Elegant Z-scheme WO₃/Au/In₂S₃ Nanowire Arrays》为题，于2016年8月2日在线发表在Nano Letters，http://pubsdc3.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.6b02094。37000cm威尼斯为第一单位和通讯单位。

太阳能是最洁净而又取之不尽的自然能源。光合作用是绿色植物在光照作用下将二氧化碳和水转化为碳水化合物的过程。对植物光合作用的细致研究发现其主要有两个光系统和一个光合链组成。光系统 II (PS II) 吸收光后发生水的氧化反应，其产生的电子通过传输通道-“光合链”-传递给光系统 I (PS I)。PS I 吸收光能后产生电子，形成具有强还原态辅酶 II (NADP) 用以还原 CO₂ 生成糖类物质，而自身被由 PS II 传来的电子所还原。电子传递链呈“Z”字形，因此称为 Z 型反应，该反应的量子效率接近 100%。人工模拟光合作用 Z 型光催化体系由氧化反应催化剂(PS II)、还原反应催化剂(PS I)和电子介体组成。在光照射下，Z型光催化体系的两种催化剂均产生光生电荷，PS II的光生电子迁移至电子介体，然后与PS II的光生空穴复合，而PS I中光生电子发生还原反应，PS II中光生空穴发生氧化反应。因此，设计和制备Ｚ型光催化体系成为光催化领域的研究热点。

图 1 Z-Scheme WO₃-Au-In₂S_3: (a)结构示意图, (b)电子显微镜照片,(c)开尔文探针技术工作原理图。

周勇教授课题组在前期研究的基础上，选择WO₃为氧化剂(PS II)、In₂S₃为还原剂(PS I)以及Au为固态电子介体，组成Z型光催化还原CO₂体系WO₃-Au-In₂S₃ （图 1a和1b）。利用开尔文探针技术(Kelvin probe force microscopy，KPFM)研究了该体系中的光生电荷的分离与传输机制 (图 1c)。可见光辐照下，空穴经Au纳米颗粒从In₂S₃的价带传递到WO₃的导带，并与WO₃导带中的光生电子复合。同时，光生电荷的荧光寿命谱也表明，WO₃-Au-In₂S₃体系中的光生电子具有较高的荧光寿命。由此，利用Au电子介质，WO₃与In₂S₃之间具有良好的界面接触，有力促进WO₃与In₂S₃之间的光生电荷快速迁移，使Z型光催化体系WO₃-Au-In₂S₃中的光生电子与空穴能够有效分离与传输，并保持较强的氧化还原能力。

光催化还原CO₂的实验结果表明，WO₃-Au-In₂S₃具有较好的光催化活性，可见光下将CO₂还原为CH₄。借助双光子激发过程，在WO₃与In₂S₃上分别发生氧化反应和还原反应，两者只需分别满足各自的光激发过程和对应的半反应，降低了光催化反应的热力学要求。此外，氧化反应和还原反应过程相互分离，有效抑制逆反应的发生。

该工作将帮助研究人员理解Z型光催化反应体系的光生电荷分离与传输机制，对未来高性能Z型光催化反应体系的研发和利用具有重要指导意义。研究受科技部973、国家基金委、江苏省杰青和37000cm威尼斯登峰计划(B)资助。

（物理学院 科学技术处）