近日，大连化物所化学动力学研究室表面反应动力学研究组（1114 组）周传耀研究员应邀和南方科技大学郭庆助理教授等发表了TiO2单晶表面吸附结构与光催化反应活性关联的综述文章，系统总结了利用表面科学技术研究模型催化剂 TiO₂(110)表面ROH (R=H, CH3)光催化反应微观机制的成果，深入揭示了这些体系中吸附结构与反应活性关联的根源，展望了利用量子态分辨、飞秒时间分辨和原子分辨技术探测反应中能量和电荷传递机制、反应中间体甚至是过渡态结构及光催化产氧反应中O-O键生成机制的可能性，为后续研究提供了前瞻性思路。
光催化是未来解决能源与环境问题的有效策略之一。光催化反应是光生电荷驱动的化学反应，包含一系列物理和化学过程。实际光催化反应体系的复杂性，例如粉末催化剂和液相环境，使得直接从这些体系的研究来建立原子分子水平的认知非常困难。结合单晶样品和基于超高真空的表面分析技术，利用模型体系结构可控吸附可控的优势，表面科学可以在原子分子尺度对表面反应进行表征，为光催化反应基元过程的研究提供了强有力的工具。
该综述总结了近年来化学动力学团队利用表面科学技术，例如扫描隧道显微镜、光电子能谱、程序升温脱附谱和飞行时间质谱等，并结合理论计算，研究金红石 TiO₂(110) 表面 ROH 光催化反应机理的系列工作，重点分析了吸附位点（桥氧和五配位钛）、吸附状态（分子吸附和解离吸附）、吸附构型（单体和线性分子链）等吸附结构与光催化反应活性之间的关联。研究发现，与母体分子相比，吸附在五配位钛上的羟基/甲氧基阴离子，由于对TiO2向上弯曲能带的增强和热力学允许的界面空穴传递而能发生光催化氧化。ROH在TiO2(110)表面五配位钛上存在分子吸附和解离吸附之间的平衡，这个平衡与表面缺陷、共吸附物种、覆盖度、温度以及外场等因素有关，如果能让平衡向RO¯方向移动，在紫外光的激发下就能生成羟基自由基或甲醛。
上述工作以“Adsorption Structure-Activity Correlation in the Photocatalytic Chemistry of Methanol and Water on TiO2(110)”为题，于近日发表在《化学研究评述》（Accounts of Chemical Research）上。该工作的共同第一作者是大连化物所1114组博士后夏树才和深圳综合粒子设施研究院王天骏博士。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院相关项目的资助。（文/图 夏树才）
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.4c00578
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