锐钛矿TiO2(001)表面化学活性的微观机理研究

The Anatase titanium dioxide (TiO2) has attached widely study interests due to the chemical reactivity of different surfaces in recent decades. The anatase TiO2(001) and its (1*4) reconstructed surfaces were theoretically considered to be the most reactive and have been heavily pursued by synthetic chemists. However, the lack of direct experimental verification or determination of the active sites on these surfaces has caused controversy and debate. In this project, we will systematic study the catalytic activity of anatase TiO2(001) surface by means of combined STM, TPD and time-resolved photon photoemision techniques. We will focus on the Methanol, formaldehyde, water molecules and their intermediate products, well understand the origin of the surface catalytic and explore the controlling method of improving the catalytic activity.

锐钛矿型TiO2表面由于其高化学反应活性在近几十年里引起了人们广泛重视和研究兴趣。而锐钛矿（001）-（1*4）表面理论上研究其具有最高反应活性，因此被化学家们广泛研究。然而，对于该表面的化学反应活性位实验证据的匮乏，使得其仍然存在很多争议。本项目将结合STM、TPD和时间分辨光电子能谱技术，深入系统地研究锐钛矿（001）表面催化反应活性，针对一些重要的分子，如CH3OH、CH2O、H2O等和其相关的中间产物，以期理解锐钛矿（001）的催化活性来源，并探索可控提高其催化活性的方法。

本项目主要围绕“TiO2表面化学活性的微观机理”这一核心问题来展开，以TiO2单晶和薄膜表面为主要研究对象，通过程序控温脱附技术（TPD），扫描隧道显微技术（STM）和时间分辨光电子能谱技术（TR-PES）等多种手段来探测CH3OH、CH2O、H2O等分子在该表面的催化和光催化微观反应机理。项目实施四年多来，项目组成员团结协作，严格按照项目制定计划来执行，从最开始的初步了解到逐渐深入，再到如何改性来提高表面催化活性，取得了一系列研究成果。这些研究成果将光催化STM成像技术和程序控温脱附技术相结合，形成了原子分子尺度上金属氧化物表面分子催化动力学研究系统，清晰观测到了分子层次上催化、光催化反应的微观过程，使得人们对基于TiO2金属氧化物表面分子催化、光催化过程的微观机制有了更加深刻的理解和认识。同时提出了锐钛矿TiO2表面在不同生长和后期处理情况下表面催化活性的改变，更深层次指出表面化学活性的主要来源可能是表面应力的作用。到目前为止，项目组已在SCI期刊上发表研究论文10篇；累计培养和指导研究生10余人，其中1人已获硕士学位，5人已获博士学位。项目组成员参加国内外学术会议10余次，其中邀请报告3次。顺利完成了项目既定的目标和任务。