甲醇能夠提高鈦白粉光催化分解水的產(chǎn)氫效率，同時(shí)甲醇本身也能光催化產(chǎn)氫。目前普遍認(rèn)為anatase表面的光催化產(chǎn)氫效率要高于rutile表面，但是產(chǎn)氫反應(yīng)的機(jī)理仍不是十分清晰。如果能從分子水平上理解二氧化鈦不同表面的產(chǎn)氫機(jī)理，能為發(fā)展高效催化劑提供新的思路。
楊學(xué)明帶領(lǐng)的表面光化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)小組利用自行研制的基于高靈敏度質(zhì)譜的表面光化學(xué)裝置，系統(tǒng)地研究了單分子層甲醇覆蓋的Rutile-TiO2(110)表面在紫外光照射后的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程。早期結(jié)果(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (32), 13366–13373，J. Am. Chem. Soc., 2013, 135 (28), 10206–10209)表明甲醇在rutile-TiO2(110)表面光照解離生成甲醛的過程中，生成的大量氫原子都轉(zhuǎn)移到臨近的橋氧原子上。在表面升溫時(shí)，絕大部分氫原子會(huì)奪取橋氧原子生成水(H2O)脫附，進(jìn)而產(chǎn)生表面氧空位。只有大約7%的氫原子以氫氣形式脫附。隨著表面氧空位濃度的增加，橋氧氫原子則更容易復(fù)合生成氫氣分子脫附。在本次的工作中，細(xì)致地研究了甲醇分子在anatase-TiO2(101)表面的光化學(xué)反應(yīng)。結(jié)果表明，甲醇分子在anatase-TiO2(101)表面的光化學(xué)行為和在rutile-TiO2(110)表面很相似。但是，由于anatase-TiO2(101)表面結(jié)構(gòu)的特異性，橋氧原子比rutile-TiO2(110)表面更穩(wěn)定，在升溫過程中，甲醇解離產(chǎn)生的橋氧氫原子不會(huì)奪取橋氧原子生成水(H2O)從表面脫附出來，進(jìn)一步分析表明大約有40%左右的橋氧氫原子以氫氣形式脫附出來，這也解釋了anatase-TiO2(101)表面產(chǎn)氫效率較高的原因。
該成果在二氧化鈦光催化產(chǎn)氫研究中具有重要意義。通過對(duì)甲醇在不同表面產(chǎn)氫機(jī)理的深入理解，能為設(shè)計(jì)和發(fā)展高效催化劑提供新的線索。
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