二氧化钛表界面的激发态电子结构及电荷传递动力学研究

Photocatalytic hydrogen production, which was initiated by the great discovery of photocatalytic water splitting on TiO2 electrode in 1972, has found its significance in the development of renewable energy and adjustment of energy structure. Though there are many papers regarding photocatalytic hydrogen production published every year, most of these studies focus on the establishment of the correlation between the systhesis route, structure of the photocatalysts and the performance. Investigation of the microscopic mechanism of TiO2 photocatalysis at the molecular level was impeded by the complexity of the system. For example, investigation of the excited electronic structure and interfacial charge transfer dynamics are very challenging. Motivated by these, we intend to study the excited electronic structure and dynamics of TiO2 and their dependence on cystal phase, surface, adsorbate and noble metal loading using femtosecond time-resolved two-photon photoemission spectroscopy (TR-2PPE), to achieve a better understanding of the nature of the excited states. We also plan to directly measure the ultrafast dynamics of photocatalytic reactions and interfacial charge transfer on TiO2 and their dependence on cystal phase, surface, adsorbate and noble metal loading by time-resolved measuring of the surface hydroxyl related excited state. We aim at providing better understanding of these microscopic structure and process, mechanism of TiO2 photocatalysis, and clues for developing new efficient photocatalysts.

光催化制氢对新能源的开发和能源结构的调整有深远的意义。1972年日本科学家发现TiO2能够光催化分解水，这一里程碑式的研究拉开了探索光催化分解水制氢的序幕。然而当前的研究集中在研究催化剂的合成方法和结构与光催化活性之间的关联，对原子分子水平上的光催化微观机理研究还不够深入。比如二氧化钛激发态电子结构和动力学以及界面电荷传递动力学在光催化中具有非常重要的作用，但是这方面的研究一直是表面物理化学界非常有挑战性的课题。基于这些问题和现状，本申请项目拟采用飞秒时间分辨双光子光电子能谱技术，全面深入地研究二氧化钛激发态电子结构和动力学及其影响因素，认识激发态的物理本质；通过对与二氧化钛表面羟基相关的激发态的测量，研究二氧化钛界面的光催化反应微观动力学和电荷传递动力学及影响因素。通过对这些微观结构和过程的认识，理解二氧化钛光催化的微观机制，为新型高效光催化剂的合成提供理论基础。

光催化制氢对新能源的开发和能源结构的调整有深远的意义。1972年日本科学家发现TiO2能够光催化分解水，这一里程碑式的研究拉开了探索光催化分解水制氢的序幕。然而当前的研究集中在研究催化剂的合成方法和结构与光催化活性之间的关联，对原子分子水平上的光催化微观机理研究还不够深入。比如二氧化钛激发态电子结构和动力学以及界面电荷传递动力学在光催化中具有非常重要的作用，但是这方面的研究一直是表面物理化学界非常有挑战性的课题。基于这些问题和现状，本申请项目拟采用飞秒时间分辨双光子光电子能谱技术，全面深入地研究二氧化钛激发态电子结构和动力学及其影响因素，认识激发态的物理本质；通过对与二氧化钛表面羟基相关的激发态的测量，研究二氧化钛界面的光催化反应微观动力学和电荷传递动力学及影响因素。通过四年的研究，在还原型TiO2中激发态电子结构的物理本质、TiO2晶面对电子结构和表面光催化动力学的影响以及金属团簇担载对TiO2界面电子结构和表面光催化动力学的影响方面取得系列进展，在ACS Catalysis, Surface Science Reports, Physical Chemistry Chemical Physics, Journal of Physical Chemistry C和Chinese Journal of Chemical Physics上发表论文7篇；主办国际会议一次，协办国际会议一次；参加一系列国际国内学术会议；培养两名博士。