周传耀等阐明甲醇吸附结构调控在TiO2表面光催化反应动力学机制

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近日，我所分子反应动力学国家重点实验室周传耀研究员与厦门大学程俊教授等人合作，结合紫外光电子能谱和程序升温脱附谱等表面科学技术与理论计算，阐明了甲醇吸附结构对其在TiO2(110)表面光催化反应动力学调控的微观机制。

　　在光催化领域，甲醇经常被用作空穴捕获剂。在表面科学领域，甲醇也常被用作探针分子来研究有机物与半导体衬底之间的相互作用，从而研究光催化反应的微观机理。自杨学明院士团队首次从单分子水平观测到甲醇在TiO2(110)表面的光催化解离以来，国内外多个团队纷纷跟进，对CH3OH/TiO2体系进行研究。然而，由于激发光源（如脉冲激光）和探测技术（如STM针尖）等因素的干扰，实验上对吸附在TiO2(110)表面Ti5c位（五配位钛原子）的甲醇分子是否具有光催化活性一直存在争议。
　　本工作中，研究人员通过精确制备CH3OH/TiO2和CH3Oˉ/TiO2反应体系，选用波长为405±2nm（刚刚实现金红石TiO2的带隙激发）的连续光源进行激发，发现CH3OH完全不反应，而CH3Oˉ则被氧化成甲醛。进一步的紫外光电子能谱测量发现，CH3OH和CH3Oˉ分别降低和增强了TiO2表面能带向上弯曲的程度，但是两种吸附质的最高占有轨道都大幅（约2eV）低于TiO2的价带顶。理论计算表明，空穴在CH3OH/TiO2中仍然分布于TiO2的氧原子上，而在CH3Oˉ/TiO2中则稳定在吸附质的氧原子上，对应的反应自由能分别为ΔCH3OH/CH3OH+>0，ΔCH3Oˉ/CH3O·<0。上述研究说明，CH3OH和CH3Oˉ在TiO2表面光催化反应动力学的差异来源于吸附质对界面电子结构的调控以及对空穴的捕获能力。有效的电荷分离以及热力学允许的界面空穴传递使得CH3Oˉ在TiO2表面具有光化学活性，而CH3OH不反应。用脉冲激光激发光化学反应和用STM针尖探测表面结构可能在较剧烈条件下促使CH3OH转变成CH3Oˉ，从而表现出光化学活性。
　　该工作一方面揭示了甲醇吸附结构决定其在TiO2表面光催化反应动力学的根本原因，消除了之前的争议；另一方面表明从热力学上判断光催化反应中界面电荷传递要根据氧化还原自由能。吸附质分子轨道与对应带边的相对能量决定了电荷传递的势垒，如何克服很高的势垒（约2eV）进行传递仍需动力学机制方面的研究。
　　相关工作以题为“Origin of the Adsorption-State-Dependent Photoactivity of Methanol on TiO2(110)”发表在ACS Catalysis上。该工作的第一作者是我所1102组2018级博士研究生董珊珊和厦门大学博士研究生胡晋媛。该工作得到中科院青促会、国家自然科学基金委、科技部等项目的资助。
　　文章链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.0c03930


        文章来源：厦门大学
        周传耀，男，汉族，1985年1月出生于湖南岳阳。2005年和2012年分别于中国科学技术大学化学物理系和中国科学院大连化学物理研究所获得理学学士和博士学位。2011年10月入职中国科学院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室，2019年7月晋升为研究员。从事表界面电子结构与化学反应动力学研究，在JAmChemSoc,ACSCatalysis,NanoLetters,ChemicalScience,JPhysChemLett,ChemicalSocietyReviews,Energy&EnvironmentalScience,AnnualReviewofPhysicalChemistry和SurfaceScienceReports等杂志发表论文30多篇。主持国家自然科学基金面上和青年项目、中国科学院科研装备研制和青年创新促进会项目、辽宁省自然科学基金面上项目和大连市青年科技之星等项目。2016年入选中国科学院青年创新促进会和辽宁省百千万人才“万”层次，2018年入选大连市青年科技之星。
       程俊教授，厦门大学教授，2002年获得上海交通大学学士学位，2005年获得上海交通大学硕士学位，2008年获得英国贝尔法斯特女王大学博士学位，之后在剑桥大学化学系做博士后，2010年获得剑桥大学Emmanuel College独立研究员职位，2013年在英国阿伯丁大学化学系建立课题组，2015年获得国家计划资助全职回厦门大学开展科研工作，被聘为福建省“闽江学者”特聘教授。主要研究方向包括发展第一性原理方法模拟固体表界面的物理化学过程，并将这些方法应用于催化和电化学等能源相关体系。近期课题组也开始拓展实验方向，将理论计算和实验相结合。