同步辐射实时在线研究光电催化剂界面水分解反应的过程

In the twenty-first century, one of the most effective strategies to tackle the fossil energy crisis is to use the “artificial photosynthesis” of solar water splitting to convert the solar energy into Hydrogen energy. Nonetheless, how to enhance the solar-to-chemical energy conversion of semiconductor photoelectrocatalysts is a great challenge for a long time. To this end, it is quite important to acquire a deep insight into the water splitting reaction process occurs on the interface between photoelectrocatalyst and water. In this proposal, we will develop an in operando soft and hard X-ray absorption fine structure (XAFS) spectroscopy based on the domestic synchrotron radiation facilities. By using the developed in operando XAFS technique combining with other routine characterizations, the PI is willing to probe that the solar-induced water splitting reaction process is produced on the interface between photoelectrocatalyst and water. The focus is to unveil the atomic and electronic structures evolutions of the catalytic active sites under photoelectrochemical condition, as well as the absorption, dissociation and desorption process of water on the surface of photoelectrocatalysts. Combining with first-principle calculations, the PI will construct the structural models of the central metal active sites, and the reaction pathways for the water splitting. It is expected to gain some new findings and to make some original achievements on understanding the water splitting mechanism and property manipulation through the operation of this proposal. The goal of this work is to provide some experimental and theoretical basis for synthesis of high-effective and stable solar water splitting photoelectrocatalytic nanomaterials.

通过光电化学水分解的“人工光合作用”将太阳能转换为清洁的氢能，被认为是21世纪解决化石能源危机最有效的途径之一，长期以来在提升半导体光电催化剂的太阳能光解水的转化效率遇到很大困难和挑战，深入了解光电催化剂与水相互作用的固液界面的水分解反应过程是关键。本项目拟利用国内同步辐射大科学装置的优势来建立原位软、硬X射线XAFS实验平台，围绕太阳能光电化学水分解这一重要的物理化学过程来开展原位实时动态的研究，实时在线地探索光电催化剂与水之间的固/液界面发生的水分解反应动力学过程，着重揭示光电催化剂表面的原子和电子结构在光电化学工作状态下的变化规律、水分子在其表面吸附、解离和脱附的反应过程，结合第一性原理计算构建光电催化剂表面的催化活性中心模型以及水分解的反应路径，有望在认识光电化学水分解的反应机理上发现一些新现象、做出一些原始创新和国际先进的成果，为制备高效稳定的光电分解水催化剂提供实验和理论基础。

重点项目（21533007）于2016年启动实施。在项目执行期间，项目组基于国内同步辐射大科学装置发展了同步辐射光电化学的原位X射线吸收谱学实验方法，建立原位软、硬X射线XAFS实验平台，围绕太阳能光电化学水分解这一重要的物理化学过程来开展原位实时动态的研究，取得了许多国际领先的创新性研究成果：在合肥同步辐射光源和北京同步辐射光源的实验线站上，实现了XAFS实验的3ML谱学探测灵敏度；利用原位同步辐射谱学技术揭示光电催化剂在服役状态下固/液界面活性位点原子、电子、配位环境的动态变化过程和水分解的微观反应机理；利用同步辐射XAFS谱学技术明确了光电催化剂的表面活性中心结构及其对电子结构的影响规律，揭示光电催化剂分解水、CO催化氧化的物理机制；原位同步辐射红外谱学技术追踪光电化学反应过程中关键反应中间产物，阐明光电催化剂固/液界面电能-化学能转化过程。近五年来，项目组成员已发表标注本项目资助的SCI收录论文41篇，其中《自然》1篇、《自然·能源》1篇、《自然·催化》1篇、《自然·通讯》3篇、《美国化学杂志》2篇、《德国应用化学》4篇，6篇被选为ESI高被引论文，2篇被选为领域热点论文。多篇被选为著名国际期刊的封面、以及重要文章，同时授权专利1项。重点项目负责人韦世强教授于2019、2020连续两年入选科睿唯安全球“高被引科学家”。在同步辐射装置的新方法发展以及先进研究平台建设并应用于光电分解水等能源转化材料研究领域的总体创新能力处于国内外前列，在认识光电化学水分解的反应机理上发现一些新现象、做出了一些原始创新和国际先进的成果，为制备高效稳定的光电分解水催化剂提供实验和理论基础。