中國儲能網(wǎng)訊：1月20日，中科院大連化物所楊學明院士領導的科研團隊在二氧化鈦表面光催化產(chǎn)氫工作中，繼2013年7月研究成果的基礎上，近日再次獲得新突破。研究成果“Molecular Hydrogen Formation from Photocatalysis of Methanol on Anatase-TiO2(101)”（甲醇在Anatase-TiO2(101)表面光催化產(chǎn)氫）發(fā)表在最新一期的《美國化學會志》上（J. Am. Chem. Soc., 2014, 136 (2), 602–605）。
甲醇能夠提高二氧化鈦光催化分解水的產(chǎn)氫效率，同時甲醇本身也能光催化產(chǎn)氫。目前普遍認為anatase表面的光催化產(chǎn)氫效率要高于rutile表面，但是產(chǎn)氫反應的機理仍不是十分清晰。如果能從分子水平上理解二氧化鈦不同表面的產(chǎn)氫機理，能為發(fā)展高效催化劑提供新的思路。
楊學明帶領表面光化學反應動力學科研團隊利用自行研制的基于高靈敏度質(zhì)譜的表面光化學裝置，系統(tǒng)地研究了單分子層甲醇覆蓋的Rutile-TiO2(110)表面在紫外光照射后的反應動力學過程。
早期結(jié)果（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (32), 13366–13373，J. Am. Chem. Soc., 2013, 135 (28), 10206–10209）表明甲醇在rutile-TiO2(110)表面光照解離生成甲醛的過程中，生成的大量氫原子都轉(zhuǎn)移到臨近的橋氧原子上。在表面升溫時，絕大部分氫原子會奪取橋氧原子生成水(H2O)脫附，進而產(chǎn)生表面氧空位。只有大約7%的氫原子以氫氣形式脫附。隨著表面氧空位濃度的增加，橋氧氫原子則更容易復合生成氫氣分子脫附。
在本次的工作中，細致地研究了甲醇分子在anatase-TiO2(101)表面的光化學反應。結(jié)果表明，甲醇分子在anatase-TiO2(101)表面的光化學行為和在rutile-TiO2(110)表面很相似。但是，由于anatase-TiO2(101)表面結(jié)構的特異性，橋氧原子比rutile-TiO2(110)表面更穩(wěn)定，在升溫過程中，甲醇解離產(chǎn)生的橋氧氫原子不會奪取橋氧原子生成水(H2O)從表面脫附出來，進一步分析表明大約有40%左右的橋氧氫原子以氫氣形式脫附出來，這也解釋了anatase-TiO2(101)表面產(chǎn)氫效率較高的原因。
該成果在二氧化鈦光催化產(chǎn)氫研究中具有重要意義。通過對甲醇在不同表面產(chǎn)氫機理的深入理解，能為設計和發(fā)展高效催化劑提供新的線索。
以上研究得到了國家自然科學基金委和中科院相關項目的資助。
