表面光化学动力学研究

研究在表面进行的化学反应过程有着极其重要的科学和现实意义。自从二氧化钛（TiO2）的光催化特性被发现以来，利用太阳能光解水制氢来解决人类未来能源又有了新的希望。为了提高光催化性能和效率，从原子和分子的量子态分辨的水平上研究和理解整个光化学的动力学过程对技术创新是十分必要的。本申请项目以光催化水解离过程为研究重点，依托合肥同步辐射装置的表面物理和光电子能谱两个线站，配合大连化学物理研究所的两个表面光化学实验装置，从不同侧面来研究水分子以及相关一些光解产氢小分子在二氧化钛等光催化剂表面光化学反应产生氢原子的过程，探索化学反应动力学规律，寻求提高光解反应效率的途径，为氢能源技术的研究和发展提供化学动力学的理论基础。

研究在表面进行的化学反应过程有着极其重要的科学和现实意义。自从二氧化钛（TiO2）的光催化特性被发现以来，利用太阳能光解水制氢来解决人类未来能源又有了新的希望。为了提高光催化性能和效率，从原子和分子的量子态分辨的水平上研究和理解整个光化学的动力学过程对技术创新是十分必要的。本项目依靠自行研制的飞秒双光子电子能谱仪和基于高灵敏度原位质谱的程序升温谱仪，分别从电子结构和反应产物两个方面，对水分子和与水光催化解离密切相关的甲醇分子在TiO2(110)表面的光催化反应机理和动力学进行了细致的研究，取得了一系列原创性成果。首先发现了吸附在5配位钛原子上的甲醇OH键的光催化解离的直接证据，消除了多年的争议；证实了甲醇在光照过程中通过两步断键的过程而解离的机制，没有发现水分子在TiO2(110)表面光催化反应的迹象；阐述了甲醇在二氧化钛表面光化学解离后产氢的机制是热化学反应；证实带隙态主要来自于表面的缺陷；通过改变照射光的波长，发现甲醇在TiO2(110)表面光催化解离速率对光子波长具有强烈依赖性，从而对广为接受的认为光催化反应速率主要取决于光照产生的有效电子-空穴对数目的模型提出了挑战。此外，我们还研究了气相水分子光解动力学和其它醇类等有机分子在TiO2(110)表面上光催化动力学。本项目共发表研究论文18篇，其中4篇发表在JACS上，这一系列的研究成果为未来光催化研究提供了新的发展思路。