“太陽能轉(zhuǎn)化科學(xué)理論及實驗技術(shù)高等講習(xí)班”專題報告一
海內(nèi)外知名專家授課
李燦院士作為國際知名的太陽能研究“掌舵人”，憑借其多年的研究積淀和高瞻遠(yuǎn)矚的學(xué)術(shù)眼光，向大家介紹了人工光合成分解水制氫的主要途徑，指出了太陽能制氫技術(shù)所面臨的大規(guī)模化的挑戰(zhàn)，闡明了太陽能研究對于解決國內(nèi)能源危機(jī)以及中國搶占新時代氫動力“能源革命”的偉大意義。隨后，他著眼近年來太陽能研究領(lǐng)域的一些重要突破性工作，從“相結(jié)”構(gòu)建、不同晶面間電荷分離以及表面光電壓譜技術(shù)的發(fā)展等代表性成果出發(fā)，強(qiáng)調(diào)了深入理解“基本概念”的重要性，并鼓勵每一位學(xué)員們都能從自身的研究中“脫離”出來，利用講習(xí)班的機(jī)會靜下心來從基本概念學(xué)起，重新做回“學(xué)生”的角色，給自己“充電補(bǔ)能”，為自己后續(xù)的研究工作積蓄足夠的動力。最后，他祝愿大家能有一次身心愉悅的大連講習(xí)班之旅。
日本東京首都大學(xué)的Haruo Inoue教授從自然界PSII產(chǎn)氧中心出發(fā)，結(jié)合電子傳遞和能量傳遞過程，為我們重點闡述了人工光合作用過程中的水氧化反應(yīng)。他指出水的氧化是水分解反應(yīng)的瓶頸，目前水氧化催化劑主要分為均相的金屬配合物和多相的半導(dǎo)體兩大類。他提出通過催化劑的優(yōu)化以及反應(yīng)路徑的設(shè)計，以水的“二電子氧化”替代“四電子氧化”，從而突破水分解反應(yīng)的瓶頸。
美國埃默里大學(xué)的連天泉教授由理論基礎(chǔ)講到實際應(yīng)用，在“時間分辨光譜探究光催化領(lǐng)域中載流子動力學(xué)方面的應(yīng)用”的基礎(chǔ)性報告之后，結(jié)合自己的研究工作，以典型的CdSe/CdS-Pt納米異質(zhì)結(jié)為例，做了“一維和二維納米異質(zhì)結(jié)光驅(qū)動產(chǎn)氫”的主題匯報。隨后，結(jié)合Au/(CdSe, CdS NR) 、Au(Ag)/TiO2體系，連老師系統(tǒng)闡述了等離激元共振誘導(dǎo)的界面電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理，以及Au/CdSe體系的直接電子躍遷可實現(xiàn)高效的熱電子轉(zhuǎn)移。
在連天泉教授報告的基礎(chǔ)上，澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)的朱懷勇教授首先講述了Au, Ag, Cu等幾種常見的等離激元金屬材料的能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能。隨后，討論了金屬等離子體光催化中金屬周圍環(huán)境對物理吸附和化學(xué)吸附的影響。最后，結(jié)合實際光催化體系，詳細(xì)闡明了不同金屬（以及金屬合金）納米粒子對有機(jī)物光氧化和光還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物選擇性的影響。
北京大學(xué)的趙進(jìn)東院士，回顧了近三百年內(nèi)多位世界級著名科學(xué)家在自然光合作用發(fā)展過程中所做的杰出貢獻(xiàn)：從植物光合放氧固碳現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，到自然光合系統(tǒng)的功能劃分和精細(xì)結(jié)構(gòu)的測定。他詳細(xì)闡釋了自然光合作用幾十億年的演化史及其對地球生態(tài)環(huán)境的深刻影響，同時揭示了自然光合作用中光能的吸收與轉(zhuǎn)化機(jī)理和啟示，如天線色素對太陽能的高效捕集與利用，Z型光合電子傳遞鏈對光生電荷的快速分離及傳遞，卡爾文循環(huán)利用光合同化力對二氧化碳的有效固定并合成有機(jī)物，以及C4植物和某些藻類的碳濃縮機(jī)制對固碳選擇性的改善。趙院士還指出，對自然光合作用的機(jī)理解釋和效率改善離不開對化學(xué)和生物這兩門學(xué)科的交叉運(yùn)用，并就未來人工光合作用將走向何處表達(dá)了自己的觀點。
清華大學(xué)的帥志剛教授首先為大家介紹了光伏、熱電器件的研究背景和工作原理，并以其扎實的量化功底，從理論模擬計算的視角，為大家演示了用量化的“利器”從微觀層面理解光伏和熱電器件中電子激發(fā)態(tài)、載流子遷移率等概念，以及電荷載流子傳輸、復(fù)合、遷移擴(kuò)散等過程的高深莫測的理論方法，并介紹了他在相關(guān)問題上的研究進(jìn)展。
美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Heinz Frei教授，從Co3O4/SiO2的core-shell 模型構(gòu)建出發(fā)，為我們講述了超薄SiO2分離膜在H2O氧化及CO2還原反應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理；同時，針對上述兩個反應(yīng)，Heinz Frei教授利用時間分辨FT-IR光譜為我們揭示了如何一步步實現(xiàn)多相催化中表面反應(yīng)中間物種和結(jié)構(gòu)變化的探測，進(jìn)而揭開催化反應(yīng)的謎底。
美國皇后學(xué)院的Michael V. Mirkin教授，為大家介紹了功能強(qiáng)大的掃描電化學(xué)顯微鏡技術(shù)，可將（光）電催化過程中催化劑納米尺度下表面活性成像分布與其微觀形貌關(guān)聯(lián)起來，這項技術(shù)對于（準(zhǔn)）原位探究（光）電化學(xué)過程，認(rèn)識反應(yīng)本質(zhì)具有重要的指導(dǎo)意義，極大程度上擴(kuò)展了大家的思維，刷新了大家的視角。
德國亥姆霍茲研究中心的Thomas Dittrich教授在報告中首先帶領(lǐng)學(xué)員們重溫了半導(dǎo)體物理的基本概念，加深了大家對半導(dǎo)體中光生載流子分布函數(shù)、費(fèi)米能級等基本知識點的理解，并由半導(dǎo)體物理的視角詳盡分析了太陽能電池和光活性材料中光激發(fā)、電荷復(fù)合分離的機(jī)理及影響載流子壽命的因素。基于以上理論的講解，Thomas Dittrich教授還為我們介紹了以SPV和KPFM為代表的表征技術(shù)，及其在實際研究體系中的應(yīng)用，最后他向?qū)Υ朔较蚋信d趣的學(xué)員推薦了自己的著作。
武漢大學(xué)莊林教授結(jié)合近年來國際上的經(jīng)典案例和自己的研究及教學(xué)工作，對包括電極/溶液界面電荷傳輸理論、金屬表面反應(yīng)性在內(nèi)的概念做了形象而生動的闡述，總結(jié)出影響電催化的e-M-A三要素，使得大多學(xué)員對電催化的詳細(xì)過程和基本概念的理解更加明晰透徹。其中，他用生動的比喻詳細(xì)闡述了內(nèi)球反應(yīng)和外球反應(yīng)的差異，并提出了利用金屬表面費(fèi)米軟度的空間圖像來闡明反應(yīng)活性位點的論述，激起了眾學(xué)員的強(qiáng)烈共鳴。由淺入深，由易到難，循循善誘，娓娓道來，給大家上了精彩的一課，無愧于國內(nèi)“教學(xué)名師”的殊榮。
圖/劉豐源、涂丹丹 圖片排版/池海波
文/王鵬鵬、葉盛
