TiO2(110)表面缺陷及氢物种的精细表征和表面化学及光催化研究

H is omnipresent in the forms of H, H+, H2, plasma and compounds (e.g., H2O, hydrocarbons) in the Earth and space environment. The interaction between H and metal oxides notably influences the properties of metal oxides. On TiO2 surfaces, H can modify the geometric and electronic structures of TiO2 and thereafter the physical chemistry processes on TiO2. The H species on TiO2 also play important roles during chemical processes, such as H2 production by water photosplitting and the catalytic hydrogenation/dehydrogenation processes. So far, the surface science study of H on metal oxide surfaces is scarce and most of the conclusions are vague due to the complexity of metal oxides and the limitations of surface analytical methods. In this proposal, the adsorption of H will be investigated by dosing different H forms to modified TiO2(110) surfaces. The atomic configurations of H on TiO2(110) and their influences on the geometric and electronic structures and the consequences on the (photo)chemistry on oxide surfaces will be characterized by combining highly sensitive methods of surface science. The interaction mechanism between H and TiO2 will certainly benefit the understanding of H-related physical chemistry processes on metal oxide surfaces.

氧化物表面H物种可显著改变其性质。以TiO2为例，H可以修饰TiO2表面的原子结构与电子结构，进而改变其物理化学性质。TiO2表面的H物种本身也是一些化学过程的重要参与物种，如光解水制H2，石油化工过程中的催化加氢/脱氢等反应。由于氧化物样品复杂性、分析方法限制等因素，目前关于氧化物表面H物种的表面科学研究还很缺乏，结论也不清晰。本申请项目以TiO2(110)为模型表面，通过精确选择和控制金红石TiO2(110)缺陷结构和不同H源，在TiO2表面吸附H物种。结合多种表面分析技术，从原子尺度探究H物种在不同缺陷结构的TiO2表面吸附构型以及该吸附构型对于TiO2几何结构和电子结构的调制和相应的热化学和光化学机制。深入认识H在氧化表面吸附及对氧化物结构的调变，为我们对发生在TiO2表面的一些与H相关的物理化学过程的理解提供了理论基础。

二氧化钛表面结构及表面氢物种可显著改变其物理化学性质并调控化学反应。本项目中我们研究了二氧化钛表面缺陷及氢物种以及其对表面化学和光催化/电催化化学的影响。对比研究了氢气、原子氢物种、以及Hn+离子对二氧化钛表面能带结构调制及光致发光性能的影响，发现Hn+离子可以与光生电子相互作用改变近表面能带弯曲。利用电化学还原，实现了在溶液中的TiO2氢掺杂并研究了电化学还原条件下的氢物种扩散、溢流等性质及其在电解水制氢过程中的作用机制。在超高真空环境下，研究了不同二氧化钛表面结构及缺陷对HCOOCH3、CH3OH、HCHO、H2O、CO、O2等分子的吸附及催化和光催化性能。在低温下发现了X-射线诱导CO与TiO2晶格氧反应生成CO2的Mars-van Krevelen反应过程。上述研究有助于我们理解氧化物的物理化学性能以及在催化、光催化、电催化、甚至在星际化学中的作用。