表面光化学动力学研究

太阳能光解水制氢是人类解决未来的能源问题一个重要方向，但是光解水制氢的详细微观机理研究还非常缺乏。本项目从原子分子层次上研究表面光化学过程的微观机理。本项目利用自行研制的时间分辨飞秒双光子光电子能谱装置，实验研究光催化重要体系如H2O/TiO2(110)，CH3OH/TiO2(110)等在光照条件下光电子能谱的变化以及这些体系中电子激发态动力学，通过与密度泛函理论研究相结合，探索这些表面过程中的光化学反应活性位和光解离动力学机制。对表面反应和表面光催化反应的初生产物，我们还利用自行研制的基于高灵敏度原位质谱技术的表面光化学动力学实验装置来检测具体的产物物种，结合可调谐的飞秒光源，探测表面反应对波长的依赖关系。在本项目支持下，我们首先发现了吸附在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，我们发现甲醇在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。共发表研究论文14篇，其中4篇发表在JACS上。这一系列的研究成果为光解水制氢这个极其重要的能源课题提供机理性的认识，为技术创新提供理论基础，推动表面科学基础研究的发展。