眾所周知，氫氣是一種非常清潔且可儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)目稍偕茉矗虼死锰?yáng)能分解水制備氫氣已成為一種備受關(guān)注的清潔新能源技術(shù)。半導(dǎo)體催化劑在光解水制氫過(guò)程中扮演著非常重要的角色，包括俘獲光能、降低反應(yīng)勢(shì)壘、減少能耗、加快反應(yīng)速度等。硅材料作為地球上豐度最高且應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，早已有報(bào)道預(yù)言可用于光解水制氫技術(shù)。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授課題組的一項(xiàng)研究首次揭示了硅納米線表面“光解水制氫”的機(jī)制，并為其制氫性能的提高提供了新的途徑。該工作以《The Nature of Photocatalytic “Water Splitting” on Silicon Nanowires》為題，在線發(fā)表于國(guó)際重要化學(xué)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201411200；http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201411200/abstract），并被選為該期刊的熱點(diǎn)論文（Hot Paper）。共同第一作者是博士生劉東和李磊磊。 

硅納米線表面光催化產(chǎn)氫機(jī)制圖示 

在該項(xiàng)研究中，熊宇杰課題組巧妙地通過(guò)微納制造技術(shù)（即自上而下）和濕化學(xué)方法（即自下而上）相結(jié)合，具有高度選擇性地調(diào)控硅納米線陣列的表面懸鍵類(lèi)型和數(shù)量。基于我校理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心王成名高級(jí)工程師的系統(tǒng)紅外光譜監(jiān)測(cè)，研究團(tuán)隊(duì)得以將光催化產(chǎn)氫效率及激子平均壽命與表面懸鍵聯(lián)系起來(lái)，從而凸顯了硅材料表面懸鍵在光催化應(yīng)用中的關(guān)鍵作用。另一方面，研究人員發(fā)現(xiàn)該過(guò)程產(chǎn)生的氫氣和氧氣的比例遠(yuǎn)高于常規(guī)思維中的化學(xué)計(jì)量比2，因此與傳統(tǒng)的光催化產(chǎn)氫機(jī)制應(yīng)該有所差異。江俊教授課題組通過(guò)理論模擬，不但證實(shí)了預(yù)計(jì)中表面懸鍵對(duì)于電荷分離的貢獻(xiàn)，而且掃描出在不同懸鍵表面所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)勢(shì)壘。基于該系列發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)首次撥開(kāi)了硅材料“光解水制氫”機(jī)制的“面紗”，確定了圖中所示的反應(yīng)機(jī)制。 

基礎(chǔ)研究的發(fā)現(xiàn)往往直接帶來(lái)技術(shù)上的發(fā)展。在理解作用機(jī)制之后，研究人員開(kāi)發(fā)出了一類(lèi)基于常規(guī)半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)的表面化學(xué)處理方法，為調(diào)控位于硅納米線表面的懸鍵狀態(tài)提供了簡(jiǎn)捷途徑，得以理性地調(diào)變其光催化制氫性能。該研究提出了新的表面工程思路，為開(kāi)發(fā)高效、自然界豐富的光催化劑鋪筑有效道路，并將拓展人們對(duì)化學(xué)轉(zhuǎn)化中電子運(yùn)動(dòng)“微觀引擎”的控制能力，對(duì)高效催化劑的理性設(shè)計(jì)具有重要推動(dòng)作用。