光触媒における光生成正孔の分離から移動までの過程を追跡(Study Tracks Photogenerated Hole Evolution from Separation to Transfer in Photocatalysis)

2026-07-14 中国科学院(CAS)

中国科学院大連化学物理研究所(DICP)の田文明教授、李仁貴教授、李燦教授らは、自作の**その場過渡反射顕微鏡(TRM)**を用いて、ビスマスバナジン酸(BiVO₄)光触媒結晶における光生成正孔(ホール)の時空間的な挙動を実反応条件下で可視化した。この成果は**National Science Review**に掲載された。人工光合成では、太陽光を化学燃料へ変換する際、光励起によって生成した電荷キャリアが電荷分離、欠陥準位への捕獲、固液界面での電荷移動など複数の過程を経るが、それらの過程で生じるエネルギー損失が反応効率を制限している。これまで半導体中のキャリアダイナミクスは広く研究されてきたものの、実際の光触媒結晶上でキャリアの移動や捕獲、界面反応への関与を直接追跡することは困難であった。本研究は、ナノスケール・実環境下でキャリア挙動を可視化する手法を確立し、高効率光触媒の合理的設計や人工光合成の性能向上に向けた重要な基盤を提供した。

光触媒における光生成正孔の分離から移動までの過程を追跡(Study Tracks Photogenerated Hole Evolution from Separation to Transfer in Photocatalysis)
Schematic illustration of the proposed photogenerated hole evolution pathway involving three steps: ultrafast charge separation, hole trapping, and rapid interfacial transfer (Image by SUN Fengke)

<関連情報>

光触媒における電荷分離から界面移動までの光生成正孔の進化を解明する Unraveling the evolution of photogenerated holes from charge separation to interfacial transfer in photocatalysis

Fengke Sun,Yue Zhao,Xianchang Yan,Panwang Zhou,Can Li,Rengui Li,Shengye Jin,Wenming Tian
National Science Review  Published:18 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1093/nsr/nwag379

Abstract

A photocatalytic process involves the intricate integration of complex photophysical and photochemical events that occur at nanoscale interfaces and evolve over femtoseconds to second scales. However, directly tracking the nanoscale carrier dynamics of a single photocatalyst crystal under the reaction conditions is essential but remains challenging. Here, we employed in-situ transient reflection microscopy to spatiotemporally resolve the evolution of photogenerated carriers in facet-engineered bismuth vanadate (BiVO4) photocatalyst. It is revealed that photogenerated holes undergo three sequential steps: initial ultrafast charge separation (~5 ps), hole trapping (~1.5 ns), and trap states‐mediated interfacial transfer to pre-adsorbed H2O on the surface (~19 ps). Crucially, trap states associated with oxygen lattice sites act as nanoscale relay sites that enable rapid hole injection into pre-adsorbed H2O, whereas direct valence-band hole injection is negligible. These findings provide a comprehensive mechanistic picture of photogenerated carrier dynamics across the entire photocatalytic process, directly linking nanostructure to interfacial chemistry and revealing trap states as critical mediators of efficient interfacial charge transfer.

0505化学装置及び設備未分類
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