随着工业化和城市化的快速发展，能源需求总量日益增大。过度的能源消耗使传统化石能源面临枯竭，同时引发了如温室效应、水体污染等诸多环境问题。如何在维持能源永续利用的同时保护生态环境系统的稳定成为当前人类社会面对的重大挑战。在国家“双碳”目标背景下，发展可持续能源替代传统能源的新技术，实现能源循环供给绿色发展是国家重大战略需求。从能源利用源头来看，太阳能驱动的绿色光催化技术具有显著优势，受到了全世界范围的广泛关注。国家发展和改革委员会等发布的《“十四五”现代能源体系规划》又提出了加快推进太阳能等可再生能源应用新能源体系变革要求。在此背景下，发展基于太阳能利用的绿色能源环境新技术是科研工作者的社会使命和责任担当。
目前，国内外的光催化研究工作正在蓬勃发展，利用光催化技术能够实现诸如水分解产氢、二氧化碳还原、氮气固定转化和有机污染物氧化消除，甚至有机物选择性转化等能源和环境领域的应用。将太阳能绿色转化为氢气或“液态阳光”甲醇等化学能源的光催化技术也已日臻成熟。然而，受制于多重因素的影响，光催化技术的整体效率依然无法满足大规模实用化的要求。在影响光催化效率的因素当中，如何实现高效的光生电荷的分离和传输是提高光催化效率的“卡脖子”问题。
光生电荷行为
在光催化过程中涉及光激发半导体后光生电荷的产生、转移、传输、分离等光物理过程和分离后的光生电子和空穴分别参与表面化学反应的光化学过程，从热力学和动力学水平上理解这些光生电荷行为在光催化过程的作用具有十分重要的意义。从光物理和光化学的角度全面深入理解光催化剂的光生电荷行为，是发展高效的光催化剂和深入认识光催化机理的关键。研究者应该针对具体的光催化反应特点，综合考虑光催化剂在吸收利用太阳光、促进电荷分离和提高催化反应效率以及选择性等角度，设计高效的催化剂，提高反应活性。同时，利用现代分析手段，特别是结合时间分辨表面光电压谱、瞬态荧光光谱、原位辐照X射线光电子能谱、原位电子顺磁共振波谱等，深入揭示光生电荷的物理和化学行为也是至关重要的。
▲ （a）太阳光谱的分布图；（b）半导体光催化反应的基本过程
光生电荷分离过程跨越从飞秒到秒、从微观原子到宏观材料的巨大时空尺度，涉及复杂的物理过程。围绕光生电荷在半导体催化剂及反应体系内的微观动力学行为进行深入研究，明晰光生电荷分离的驱动力、传输的影响因素及决定引发反应的关键因素等，将建立起光生电荷行为结果与光催化性能之间的联系，实现对光催化复杂机制的认识，能够为理性设计性能更优的光催化材料提供新的思路和研究方法。显而易见，发展光生电荷行为的研究方法至关重要。然而，当前已出版的与光催化相关的国内外书籍主要围绕光催化材料设计与开发、光催化技术应用等方面，至今仍缺少系统全面介绍光生电荷行为研究方法的专著。
基于当前国内外光催化材料领域相关研究进展，井立强教授研究团队结合多年来在光催化材料光生电荷行为研究方面积累的经验，精心策划与撰写成《光生电荷行为研究方法》（井立强、曲阳、孙建辉等著. 北京：科学出版社，2024.3）一书。本书全面介绍了光催化技术中涉及光生电荷行为的相关研究方法和前沿进展，从光物理和光化学技术两个方面出发，重点介绍时间和空间分辨及原位技术等先进前沿测试方法，不仅明确说明光生电荷行为研究方法相应的适用条件及评判标准，还进一步结合能源与环境应用实例分析，从不同研究方法角度试图揭示光生电荷转移、分离和引发反应的动力学过程，对研究光催化过程和光生电荷行为等具有一定的指导意义。
第1 章为绪论部分，主要介绍半导体能带理论、杂质和缺陷能级及半导体异质结等半导体物理基础知识，并对光催化的基本原理和应用以及光生电荷物理行为等进行了介绍和梳理。
第2 章介绍表面光电压谱的原理、系统和在研究光生电荷分离机制方面的应用案例。
第3 章介绍瞬态吸收光谱的原理和测试系统以及在研究电荷动力学和过程机制方面的应用案例。
第4 章介绍荧光光谱的原理、系统装置，并从固体荧光和液体荧光两个角度分别介绍了其在研究电荷分离机制方面的应用案例。
第5 章介绍了光电子能谱的原理，特别是原位辐照X 射线光电子能谱的原理和测试系统，并分别介绍了其在研究光生电荷分离机制和光催化过程机制的应用案例。
第6 章介绍了开尔文探针力显微镜的基本原理和测试系统，并总结了该技术在研究电荷光物理行为方面的应用。
第7 章介绍了光电化学技术，包括光电流曲线和光电流作用谱等的原理、测试设备和模式以及具体应用实例。
第8 章介绍了电子顺磁共振波谱，分别从固体电子顺磁共振谱和含氧自由基捕获电子顺磁共振谱两个角度介绍了基本原理、测试装置和在研究光生电荷物理行为方面的应用案例。
本书可供相关专业的科研人员、研究生及技术人员作为选读教材或参考资料，可以满足光催化材料研究领域人员快速全面了解利用光物理和光化学技术等阐明光生电荷转移与分离的基本原理，光催化过程中电荷分离行为的研究现状和发展趋势，同时也会为太阳能转化与催化材料等相关领域的研究提供有力支持。
本文摘编自《光生电荷行为研究方法》（井立强等著. 北京：科学出版社，2024.3）一书“前言”“第1章 绪论”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-077448-4
责任编辑：李明楠 孙静惠
光催化技术有望解决未来能源和环境问题，助力完成国家“双碳”目标，其关键在于对高效光催化材料的研发。为此，开展材料光生电荷行为研究非常重要。然而，至今仍缺少此方面的专门书籍。本书注重从光物理和光化学两个角度系统全面介绍光生电荷行为的研究方法，包括稳/瞬态表面光物理技术、原位技术等先进前沿测试技术，并结合应用实例，从时间和空间分辨的角度揭示光生电荷转移及分离的动力学过程和明确相关技术的适用条件及分析方法。
本书可供光催化材料及相关领域科研、技术人员以及高校研究生阅读参考。
（本文编辑：刘四旦）
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