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利用相位敏感的和频振动光谱研究TiO2/水溶液界面水结构

批准号:
12104058
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
孙树梅
依托单位:
学科分类:
光场调控与非线性光学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
孙树梅

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
TiO2在光解水制氢、水的净化及自清洁等方面展现了巨大的应用潜力。在这些应用中,均有水的参与。深入研究TiO2与水的相互作用,了解界面处水的结构,将对TiO2更广泛的应用起到促进作用。目前,大多数相关实验是在气相或超高真空环境下进行的,而与TiO2相关的很多反应是在溶液中发生的。因此亟需实际应用环境下的表面探测手段。本项目拟利用相位敏感的和频振动光谱技术探测液相环境下的TiO2表面水结构。该技术有高界面选择性与分子选择性,可以工作在光到达的任何界面,是研究TiO2/水溶液界面的理想手段。通过对O-H伸缩振动的相位敏感的和频测量,配合不同偏振组合的分析,我们可以获取TiO2表面水的氢键状态,分子取向及水与TiO2的相互作用等诸多信息。通过改变溶液pH、TiO2晶面及紫外光照,探讨这些重要因素对表面水结构的影响。该研究将有助于理解发生在TiO2/水溶液界面处的物理、化学反应机理。
英文摘要
Titanium dioxide (TiO2) has shown its great potential in water splitting, water purification and self-cleaning. In these applications, water is involved. The wide application of TiO2 will be benefited from a deep understanding about the water-TiO2 interaction and interfacial water structure. To date, most relative studies were conducted in gas phase or in UHV condition, while most real reactions are occurred in aqueous. Therefore, a surface probe which can work in real reaction conditions is necessary. In this project, we propose using phase-sensitive sum frequency vibrational spectroscopy (PS-SFVS) to study the interfacial water structure at the TiO2 /aqueous interface. This technique has a feature of high interfacial and molecular selectivity and can work at any interfaces where light can reach. So it is an ideal method for the study of TiO2/aqueous interface. By doing PS-SFVS measurement and polarization analysis on O-H stretch modes, one can obtain the information such as the status of hydrogen bond, water molecule orientation and the interaction between water and TiO2. Moreover, by changing solution pH, TiO2 facets and UV irradiation which are important parameters for photocatalytic reactions, we can discuss their effects on the interfacial water structure. The study will be very helpful for understanding the physical/chemical reactions occurred at TiO2/aqueous interface.
二氧化钛因其在光催化领域的巨大应用潜力以及所带来的环境和经济效益,一直备受关注。特别是界面水分子与二氧化钛相互作用,是基础科学研究的热点。大部分实验研究是在低温低压或超高真空的环境下进行的,而实际的反应大多是在溶液环境中发生,因此,亟需发展原位界面表征技术研究该体系,这有助于人们理解TiO₂/水溶液界面处的物化反应。该项目基于飞秒激光放大器,设计并搭建了共线的相位敏感的和频振动光谱测量装置,加入相位修正模块,优化系统,分析相位测量的稳定性。该装置在宽光谱范围内(800 cm⁻¹)的相位测量偏差可控制在±2°。利用搭建的和频振动光谱的强度和相位测量装置,研究分析了二氧化钛/水溶液在不同pH下的界面水结构。金红石(110)面的零电位点接近纯水的pH,随着pH降低,表面质子化带正电,界面水整体取向朝向水本体;随着pH升高,表面去质子化带负电,界面水整体取向朝向固体界面。此外,研究发现溶液pH为11左右,去质子化过程基本达到饱和,而对于酸性溶液,直至pH为1仍没有显现出质子化过程饱和的迹象。特别地,酸性溶液下的信号强度大于碱性溶液,这表明其界面水的有序度较高,揭示了二氧化钛在酸碱环境下具有不同的界面终端进而紧邻表面的界面水具有不同的氢键网络结构。通过这一项目的研究,为相位测量精度的提高提供重要参考,并且丰富了人们对TiO₂界面水结构的认识,有助于理解二氧化钛界面处的物化反应机理。
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