太阳能转化科学理论及实验技术高等讲习班 | 专题报道一

503Group 发布于:2019-08-29

◇ 专题报道一

——海内外知名专家授课


【主讲人:李灿、赵进东、Haruo Inoue、连天泉、朱怀勇、帅志刚、庄林、Heinz Frei、Michael V. Mirkin、Thomas Dittrich】

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李灿院士作为国际知名的太阳能研究“掌舵人”,凭借其多年的研究积淀和高瞻远瞩的学术眼光,向大家介绍了人工光合成分解水制氢的主要途径,指出了太阳能制氢技术所面临的大规模化的挑战,阐明了太阳能研究对于解决国内能源危机以及中国抢占新时代氢动力“能源革命”的伟大意义。随后,他着眼近年来太阳能研究领域的一些重要突破性工作,从“相结”构建、不同晶面间电荷分离以及表面光电压谱技术的发展等代表性成果出发,强调了深入理解“基本概念”的重要性,并鼓励每一位学员都能从自身的研究中“脱离”出来,利用讲习班的机会静下心来从基本概念学起,重新做回“学生”的角色,给自己“充电补能”,为自己后续的研究工作积蓄足够的动力。最后,他祝愿大家能有一次身心愉悦的大连讲习班之旅。

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日本东京首都大学的Haruo Inoue教授从自然界PSII产氧中心出发,结合电子传递和能量传递过程,为我们重点阐述了人工光合作用过程中的水氧化反应。他指出水的氧化是水分解反应的瓶颈,目前水氧化催化剂主要分为均相的金属配合物和多相的半导体两大类。他提出通过催化剂的优化以及反应路径的设计,以水的“二电子氧化”替代“四电子氧化”,从而突破水分解反应的瓶颈。

美国埃默里大学的连天泉教授由理论基础讲到实际应用,在“时间分辨光谱探究光催化领域中载流子动力学方面的应用”的基础性报告之后,结合自己的研究工作,以典型的CdSe/CdS-Pt纳米异质结为例,做了“一维和二维纳米异质结光驱动产氢”的主题汇报。随后,结合Au/(CdSe, CdS NR) 、Au(Ag)/TiO2体系,连老师系统阐述了等离激元共振诱导的界面电荷转移机理,以及Au/CdSe体系的直接电子跃迁可实现高效的热电子转移。   

在连天泉教授报告的基础上,澳大利亚昆士兰科技大学的朱怀勇教授首先讲述了Au, Ag, Cu等几种常见的等离激元金属材料的能带结构和光学性能。随后,讨论了金属等离子体光催化中金属周围环境对物理吸附和化学吸附的影响。最后,结合实际光催化体系,详细阐明了不同金属(以及金属合金)纳米粒子对有机物光氧化和光还原反应转化率及产物选择性的影响。

北京大学的赵进东院士,回顾了近三百年内多位世界级著名科学家在自然光合作用发展过程中所做的杰出贡献:从植物光合放氧固碳现象的发现,到自然光合系统的功能划分和精细结构的测定。他详细阐释了自然光合作用几十亿年的演化史及其对地球生态环境的深刻影响,同时揭示了自然光合作用中光能的吸收与转化机理和启示,如天线色素对太阳能的高效捕集与利用,Z型光合电子传递链对光生电荷的快速分离及传递,卡尔文循环利用光合同化力对二氧化碳的有效固定并合成有机物,以及C4植物和某些藻类的碳浓缩机制对固碳选择性的改善。赵院士还指出,对自然光合作用的机理解释和效率改善离不开对化学和生物这两门学科的交叉运用,并就未来人工光合作用将走向何处表达了自己的观点。

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清华大学的帅志刚教授首先为大家介绍了光伏、热电器件的研究背景和工作原理,并以其扎实的量化功底,从理论模拟计算的视角,为大家演示了用量化的“利器”从微观层面理解光伏和热电器件中电子激发态、载流子迁移率等概念,以及电荷载流子传输、复合、迁移扩散等过程的高深莫测的理论方法,并介绍了他在相关问题上的研究进展。

美国劳伦斯伯克利国家实验室的Heinz Frei教授,从Co3O4/SiO2的core-shell 模型构建出发,为我们讲述了超薄SiO2分离膜在H2O氧化及CO2还原反应的电荷转移机理;同时,针对上述两个反应,Heinz Frei教授利用时间分辨FT-IR光谱为我们揭示了如何一步步实现多相催化中表面反应中间物种和结构变化的探测,进而揭开催化反应的谜底。

美国纽约皇后学院Michael V. Mirkin教授,为大家介绍了功能强大的扫描电化学显微镜技术,可将(光)电催化过程中催化剂纳米尺度下表面活性成像分布与其微观形貌关联起来,这项技术对于(准)原位探究(光)电化学过程,认识反应本质具有重要的指导意义,极大程度上扩展了大家的思维,刷新了大家的视角。

德国亥姆霍兹研究中心Thomas Dittrich教授在报告中首先带领学员们重温了半导体物理的基本概念,加深了大家对半导体中光生载流子分布函数、费米能级等基本知识点的理解,并由半导体物理的视角详尽分析了太阳能电池和光活性材料中光激发、电荷复合分离的机理及影响载流子寿命的因素。基于以上理论的讲解,Thomas Dittrich教授还为我们介绍了以SPV和KPFM为代表的表征技术,及其在实际研究体系中的应用,最后他向对此方向感兴趣的学员推荐了自己的著作。

武汉大学庄林教授结合近年来国际上的经典案例和自己的研究及教学工作,对包括电极/溶液界面电荷传输理论、金属表面反应性在内的概念做了形象而生动的阐述,总结出影响电催化的e-M-A三要素,使得大多学员对电催化的详细过程和基本概念的理解更加明晰透彻。其中,他用生动的比喻详细阐述了内球反应和外球反应的差异,并提出了利用金属表面费米软度的空间图像来阐明反应活性位点的论述,激起了众学员的强烈共鸣。由浅入深,由易到难,循循善诱,娓娓道来,给大家上了精彩的一课,无愧于国内“教学名师”的殊荣。

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图/刘丰源、涂丹丹  图片排版/池海波

文/王鹏鹏、叶盛