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| 大連化物所二氧化鈦光催化反應機理研究取得進(jìn)展 |
| 來(lái)源：分析測試百科網(wǎng) 更新時(shí)間：2013-12-30 09:23:47 瀏覽次數： |
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近日，中科院大連化學(xué)物理研究所楊學(xué)明院士領(lǐng)導的科研團隊在表面光化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)研究工作中取得新進(jìn)展，研究成果Strong Photon Energy Dependence of the Photocatalytic Dissociation Rate of Methanol on TiO2(110)(《不同光子能量對甲醇在TiO2(110)表面上光催化解離速率的影響》)發(fā)表在最新一期的《美國化學(xué)會(huì )志》上(J. Am. Chem. Soc., 2013, 135 (50), pp 19039–19045)(通訊作者：郭慶，楊學(xué)明，Timothy K. Minton)。
二氧化鈦在光催化領(lǐng)域有著(zhù)極為廣泛的應用，但是對其光催化反應機理的研究一直在探索當中。一系列研究結果表明二氧化鈦光激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴會(huì )很快弛豫到導帶底或者價(jià)帶頂，多余部分的能量則轉換成聲子能量，對反應基本沒(méi)有貢獻。廣為接受的光催化模型認為光催化反應速率主要取決于光照產(chǎn)生的有效電子-空穴對的數目，即化學(xué)反應過(guò)程與光通量有關(guān)，而與激發(fā)光波長(cháng)(或者光激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴的能量)無(wú)明顯關(guān)系。
楊學(xué)明帶領(lǐng)的表面光化學(xué)反應動(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，系統地研究了單分子層甲醇覆蓋的TiO2(110)表面在紫外光照射后的反應動(dòng)力學(xué)過(guò)程。早期結果(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (32), 13366–13373，J. Am. Chem. Soc., 2013, 135 (28), 10206–10209)表明，甲醇在光照過(guò)程中通過(guò)O-H鍵及C-H鍵的斷裂形成甲醛，解離出的大量氫原子轉移到旁邊的橋氧原子上。在表面升溫過(guò)程中，一部分氫原子會(huì )奪取表面的橋氧原子先以水(H2O)的形式從表面脫附出來(lái)，產(chǎn)生表面氧空位。隨著(zhù)表面氧空位濃度的增加，橋氧上剩余的氫原子則更容易結合成氫氣分子脫離。
在本次研究中，在波長(cháng)266nm光照條件下，甲醇分子光致解離的量子產(chǎn)率比波長(cháng)355nm光照產(chǎn)率高兩個(gè)量級左右，而TiO2對 266nm的吸收效率僅為355nm的兩倍。這個(gè)實(shí)驗結果表明，光子能量(電子和空穴的能量)對光催化效率有著(zhù)重要的影響。一種可能的機理解釋是光激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴直接與甲醇分子作用，誘發(fā)了化學(xué)反應，而不是弛豫后再與甲醇分子作用誘發(fā)反應。另外一種可能的解釋是，光致激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴復合后生成高激發(fā)模式的聲子，其與甲醇分子耦合后激發(fā)分子的某些振動(dòng)模式，促使甲醇解離。如果能真正理解二氧化鈦表面光催化反應發(fā)生的本質(zhì)機理，將會(huì )為設計與發(fā)展高效催化劑和完善光催化模型提供更好的支持。
以上研究得到了國家自然科學(xué)基金委和中科院相關(guān)項目的資助。
大連化物所發(fā)現不同光子能量影響甲醇在TiO2(110)表面光催化解離速率
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