光催化分解水制氫是利用太陽能制備燃料的最具挑戰性的反應之一，其中基于半導體的光催化中光激發電子和空穴的有效分離和遷移是提高光催化效率的關鍵。李燦研究團隊為解決這一核心科學問題進行了不懈努力：通過構筑CdS/MoS₂異質結取得比傳統貴金屬Pt負載的Pt/CdS光催化劑更好的分解水制氫活性(J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 7176-7177)；在國際上首次報道構筑TiO₂不同相之間的“異相結”可大幅度提升光催化產氫的活性(Angew. Chem. Int. Ed., 120: 1766-1769 2008)，最近又在以α,β-Ga₂O₃為基礎的半導體光催化劑上發現“異相結”可以促進光催化分解純水制氫性能，并初步揭示了其提高光催化活性的本質(Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 13089-13092)。至此，基于半導體的光生電荷分離可以通過構筑p-n結、異質結和異相結等來實現，這些過程都是在不同材料間發生，而對于同一個材料中的光生電荷分離機制尚不清楚。

在這項工作中，選取BiVO₄這一具有規則暴露晶面的半導體材料為模型催化劑，通過光還原沉積和光氧化沉積發現BiVO₄不同暴露晶面具有不同的氧化還原性質，實驗中觀察到貴金屬的光還原沉積能夠選擇性地發生在{010}晶面上，而金屬氧化物的光氧化沉積選擇性地發生在{110}晶面上，從而確認BiVO₄的不同晶面之間的光生電荷分離效應；更進一步將氧化和還原助催化劑同時選擇性擔載到氧化和還原的晶面時，可以將光催化性能提高兩個數量級，這為進一步設計構筑高效的太陽能轉化體系提供了新的策略。

該研究工作得到了國家自然科學基金重大項目、中國科學院太陽能行動計劃和科技部973項目的資助。（文/圖 李仁貴、章福祥）