胡培君/王海丰Nature Catalysis:表面光生空穴浓度决定TiO2光催化析氧性能

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前言：

2018年4月17日，Nature Catalysis在线发表了华东理工大学胡培君/王海丰教授团队关于TiO2光催化析氧方面的论文，论文定量分析了水/TiO2(110)界面处OER反应的全过程，确定了表面光生空穴浓度是限制TiO2光催化OER活性的关键因素。

共同第一作者：Dong Wang, Tian Sheng

共同通讯作者：王海丰，胡培君

第一单位：华东理工大学

课题背景：

   利用太阳能光催化分解水制氢是解决人类能源问题的重要途径，其中析氧半反应是动力学慢反应，限制了整个反应的效率。一般，人们认为OER反应需要克服高的势垒，光催化剂的本征活性不高。理解OER反应的机理对合理设计催化剂体系，提升光催化剂性能具有重要的指导作用。但受OER反应的复杂性以及传统研究手段的局限性影响，过去的研究并没有完全搞清楚这些问题。亟待解决的问题包括：

1. What is the favoured reaction mechanism of the photocatalytic OER?

2. Which factor determines the overall efficiency?

3. How can we further improve the efficiency?

本文亮点：

    本文采用最稳定的金红石TiO2(110)面作为模型催化剂体系，对水/TiO2界面处的光催化OER反应机理进行了大量的第一性原理分子动力学模拟。论文对OER反应的整体途径，包括H2O的解离，活性自由基的产生，O-O偶联反应等有系统地讨论。通过详尽的机理研究和微观动力学分析，论文提出实验条件下TiO2的本征活性并不是限制OER反应效率的关键因素。真正的决定性因素是达到TiO2催化剂表面的光生空穴的浓度。这一结果表明在光生空穴浓度达到阈值之前(10-4)，提升OER反应效率的关键在于提升光生空穴的浓度。

图文解析：

图1.  水/TiO2(110)界面处OER反应的示意图

理论上，计算OER反应面临两个难点：

1. 确定表面光生自由基的准确位置，因为这涉及到OER反应的不同途径。

2. 可靠地计算 水/TiO2界面处发生的反应。

为解决上述难题，本文提出了一种MPA-MD法（具体内容请大家阅读原文）。