表面光催化超快动力学装置

在全球能源短缺和环境污染加剧的背景下，利用太阳能光催化解决这些问题越来越受到人们的重视。光催化技术在迅猛发展的同时，光催化机理的研究却非常不足。本项目基于这个背景，拟研制一套"表面光催化超快动力学装置"，将飞秒化学和表面科学的研究方法和技术结合用于研究表面光催化动力学。本项目利用和频光谱方法探测表面吸附分子的振动光谱，在飞秒时间分辨尺度上研究单晶表面光催化反应动力学；利用光谱方法"光进光出"的特点在较大压强跨度范围内原位研究催化机理，探索实际环境下的光催化动力学过程，为光催化的应用研究提供更为清晰和准确的理论基础。该装置包括超快时间分辨表面和频光谱设备和具备同时在超高真空和高压（1个大气压）下工作的表面科学真空腔体。目前，国内尚未见这方面的研究，国际上也鲜有同类型仪器。该装置的成功研制将不仅会弥补国内这方面研究的不足，也能使国内的相关研究在国际上处于领先地位。

我们设计研制了一套超高真空/高气压系统，并可以结合原位宽带红外和频（SFG）振动光谱的装置。该系统中，我们大大缩短了样品和光学窗口距离（小于5 mm）。这项改进减小了高气压环境下实验时红外在气相中的吸收。并且，我们实现了可以原位测量红外的透射谱，用于校准SFG光谱。这套系统让我们具备研究单晶和多晶样品表面吸附分子的振动光谱。..虽然CH3OH在TiO2(110)的光化学已经广泛地被研究，但是很多基本的问题都还无法回答。比如，CH3OH在TiO2(110)表面的吸附结构是什么都还不清楚。我们利用该装置研究了CH3OH/TiO2(110)体系，我们清楚地识别出了CH3OH吸附在不同表面位，以及CH3OH的分子吸附态和解离吸附态。我们对光谱进行了详细的光谱标识：甲基的对称伸缩振动，Fermi共振和反对称伸缩振动。我们还制备了5配位Ti位的CH3O，发现了反对称信号强烈依赖样品温度，而对称和Fermi信号却与温度无关。我们初步认为这个与甲基绕C3v轴的运动快慢与温度有关。我们通过控制TiO2(110)表面CH3OH的覆盖度，发现在1个单层以内，解离吸附的比例几乎不变。当高于一个单层，解离吸附逐渐变少。当达到多层，解离吸附完全消失。我们又结合紫外光照，从SFG振动光谱中发现了甲醛和甲酸甲酯。而且还识别出了CH3OH在TiO2(110)的光催化反应的活性物种和活性位。这些成果对理解CH3OH在TiO2(110)的光催化反应有重要意义。