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40nianlai
，suizheguangcuihuakexuedebuduanfazhanyijiguangcuihuajiliyanjiudebuduanshenru，liyonggezhongjishushouduan

，laizhijieguanchashuiyucuihuajijiemiandehuaxuebianhuaguocheng，chengweidangjinjiemianhuaxueyanjiulingyudenandianyuredian。jinguanzuijinjinianyouxieyanjiuzutansuoguoshuiyucuihuajijiemiandexianghuzuoyong
，ranerdaduoshushiyanhelilunyanjiurengranjuxianyuzaidanfenzishuicenghuozheshuizhengqihuanjingtiaojianxiadefanyingguocheng，zheyushijiguangcuihualiejieshuiguochengzhongdeguangzhaoyijiyetaishuihuanjingxiangchashenyuan。lingwaixuyaozhichudeshi
，ziranjiezhongdaduoshuguangcuihuachanqingguochengdoushizaiguyejiemianjinxingde。yinci，ruhefazhanyizhongxindeshiyanjishushouduanhejisuanfangfa，nenggoushixianzaiyetishuiyijiguangzhaotiaojianxia，zainamishenzhiyuanzichiduguanchaguangcuihualiejieshuiguochengzhongcuihuajiyushuijiemiandehuaxuebianhuaguocheng
，jinernongqingzhenshiguangcuihuaguochengzhongdeyuanzihedianzijiegou，juyoufeichangzhongyaodekexueyanjiujiazhi。

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。

該(gai)科(ke)研(yan)團(tuan)隊(dui)成(cheng)功(gong)將(jiang)光(guang)纖(xian)引(yin)入(ru)液(ye)體(ti)環(huan)境(jing)透(tou)射(she)電(dian)子(zi)顯(xian)微(wei)鏡(jing)中(zhong)來(lai)原(yuan)位(wei)觀(guan)察(cha)光(guang)催(cui)化(hua)水(shui)裂(lie)解(jie)產(chan)氫(qing)反(fan)應(ying)過(guo)程(cheng)。他(ta)們(men)在(zai)其(qi)前(qian)期(qi)研(yan)究(jiu)電(dian)子(zi)束(shu)輻(fu)照(zhao)對(dui)水(shui)以(yi)及(ji)氧(yang)化(hua)物(wu)損(sun)傷(shang)作(zuo)用(yong)機(ji)理(li)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)
，通(tong)過(guo)精(jing)確(que)地(di)調(tiao)控(kong)電(dian)子(zi)束(shu)劑(ji)量(liang)，成(cheng)功(gong)地(di)開(kai)展(zhan)了(le)可(ke)以(yi)把(ba)電(dian)子(zi)輻(fu)照(zhao)損(sun)傷(shang)和(he)光(guang)催(cui)化(hua)這(zhe)兩(liang)個(ge)物(wu)理(li)現(xian)象(xiang)分(fen)開(kai)來(lai)的(de)原(yuan)位(wei)觀(guan)察(cha)實(shi)驗(yan)。首(shou)次(ci)在(zai)實(shi)驗(yan)上(shang)發(fa)現(xian)：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)。