光催化產氫機理方麵獲突破

據材料material網站消息：光催化水裂解產氫
，是一種有效的氫能生產技術手段。1972年，日本學者Fujishima首次報道了TiO2可以在光照條件下，催化水裂解產氫。近40年(nian)來(lai)，隨(sui)著(zhe)光(guang)催(cui)化(hua)科(ke)學(xue)的(de)不(bu)斷(duan)發(fa)展(zhan)以(yi)及(ji)光(guang)催(cui)化(hua)機(ji)理(li)研(yan)究(jiu)的(de)不(bu)斷(duan)深(shen)入(ru)，利(li)用(yong)各(ge)種(zhong)技(ji)術(shu)手(shou)段(duan)，來(lai)直(zhi)接(jie)觀(guan)察(cha)水(shui)與(yu)催(cui)化(hua)劑(ji)界(jie)麵(mian)的(de)化(hua)學(xue)變(bian)化(hua)過(guo)程(cheng)，成(cheng)為(wei)當(dang)今(jin)界(jie)麵(mian)化(hua)學(xue)研(yan)究(jiu)領(ling)域(yu)的(de)難(nan)點(dian)與(yu)熱(re)點(dian)。盡(jin)管(guan)最(zui)近(jin)幾(ji)年(nian)有(you)些(xie)研(yan)究(jiu)組(zu)探(tan)索(suo)過(guo)水(shui)與(yu)催(cui)化(hua)劑(ji)界(jie)麵(mian)的(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)，然(ran)而(er)大(da)多(duo)數(shu)實(shi)驗(yan)和(he)理(li)論(lun)研(yan)究(jiu)仍(reng)然(ran)局(ju)限(xian)於(yu)在(zai)單(dan)分(fen)子(zi)水(shui)層(ceng)或(huo)者(zhe)水(shui)蒸(zheng)氣(qi)環(huan)境(jing)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)反(fan)應(ying)過(guo)程(cheng)，這(zhe)與(yu)實(shi)際(ji)光(guang)催(cui)化(hua)裂(lie)解(jie)水(shui)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)光(guang)照(zhao)以(yi)及(ji)液(ye)態(tai)水(shui)環(huan)境(jing)相(xiang)差(cha)甚(shen)遠(yuan)。另(ling)外(wai)需(xu)要(yao)指(zhi)出(chu)的(de)是(shi)，自(zi)然(ran)界(jie)中(zhong)大(da)多(duo)數(shu)光(guang)催(cui)化(hua)產(chan)氫(qing)過(guo)程(cheng)都(dou)是(shi)在(zai)固(gu)液(ye)界(jie)麵(mian)進(jin)行(xing)的(de)。因(yin)此(ci)
，如(ru)何(he)發(fa)展(zhan)一(yi)種(zhong)新(xin)的(de)實(shi)驗(yan)技(ji)術(shu)手(shou)段(duan)和(he)計(ji)算(suan)方(fang)法(fa)，能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)在(zai)液(ye)體(ti)水(shui)以(yi)及(ji)光(guang)照(zhao)條(tiao)件(jian)下(xia)，在(zai)納(na)米(mi)甚(shen)至(zhi)原(yuan)子(zi)尺(chi)度(du)觀(guan)察(cha)光(guang)催(cui)化(hua)裂(lie)解(jie)水(shui)過(guo)程(cheng)中(zhong)催(cui)化(hua)劑(ji)與(yu)水(shui)界(jie)麵(mian)的(de)化(hua)學(xue)變(bian)化(hua)過(guo)程(cheng)，進(jin)而(er)弄(nong)清(qing)真(zhen)實(shi)光(guang)催(cui)化(hua)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)原(yuan)子(zi)和(he)電(dian)子(zi)結(jie)構(gou)

，具(ju)有(you)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)科(ke)學(xue)研(yan)究(jiu)價(jia)值(zhi)。

近日，北京工業大學固體微結構與性能研究所隋曼齡教授（通訊作者）和盧嶽博士（第一作者），與香港城市大學（原台灣清華大學）陳福榮教授（共同通訊）和北京航空航天大學物理學院劉利民教授(共同通訊)合作
，在Nature Communications上發表了一篇題為“Self-hydrogenated shellpromoting photocatalytic H2 evolution on anatase TiO2”的文章。

gaikeyantuanduichenggongjiangguangxianyinruyetihuanjingtoushedianzixianweijingzhonglaiyuanweiguanchaguangcuihuashuiliejiechanqingfanyingguocheng。tamenzaiqiqianqiyanjiudianzishufuzhaoduishuiyijiyanghuawusunshangzuoyongjilidejichushang，tongguojingqueditiaokongdianzishujiliang
，chenggongdikaizhanlekeyibadianzifuzhaosunshangheguangcuihuazhelianggewulixianxiangfenkailaideyuanweiguanchashiyan。shoucizaishiyanshangfaxian：TiO2光催化水裂解過程中，氫原子H會優先進入到TiO2晶格內部，導致Ti4+向低價態的Ti3+轉變
，進而在TiO2表麵形成納米尺度的氫化層。

結合第一性原理計算進一步發現，該層氫化層會降低 H2在亞表麵的形成能，顯著加速H2的形成；另一方麵，氫化層還可以促使TiO2表麵的水分子處於裂解態，進而提高光催化產氫效率。該研究結果揭示出：在真實光催化條件下，是率先形成的TiO2表麵氫化層對光催化過程起到關鍵的作用；而並非傳統理論所認為的純TiO2表麵的作用。該研究結果打破了傳統認知中TiO2表麵本身決定TiO2光催化效率的機理，並為理解實際光催化過程中材料表麵成分和電子態結構（Ti3+）變化對光催化的作用機理，提供了全新的認識和理論支持。

在光照以及液態水環境下，利用透射電子顯微鏡原位觀察和第一性原理計算相結合
，研究發現：光催化過程中，TiO2表麵所產生的H原子會進入到TiO2晶格，進而引起TiO2表麵形成納米尺度的氫化層。該氫化層有利於H2在(zai)材(cai)料(liao)的(de)亞(ya)表(biao)麵(mian)產(chan)生(sheng)。該(gai)研(yan)究(jiu)是(shi)首(shou)次(ci)實(shi)現(xian)液(ye)體(ti)環(huan)境(jing)下(xia)納(na)米(mi)甚(shen)至(zhi)原(yuan)子(zi)尺(chi)度(du)觀(guan)察(cha)光(guang)催(cui)化(hua)劑(ji)與(yu)水(shui)界(jie)麵(mian)的(de)化(hua)學(xue)變(bian)化(hua)，該(gai)研(yan)究(jiu)也(ye)將(jiang)為(wei)新(xin)型(xing)光(guang)催(cui)化(hua)材(cai)料(liao)的(de)研(yan)發(fa)，以(yi)及(ji)光(guang)催(cui)化(hua)機(ji)理(li)的(de)解(jie)釋(shi)提(ti)出(chu)新(xin)的(de)機(ji)遇(yu)和(he)挑(tiao)戰(zhan)。