水在锐钛矿表面吸附微观图像被揭开

英国《自然—材料学》杂志近日发表了湖北大学“楚天学者计划”特聘教授何云斌与其合作者关于水在TiO2表面吸附的重要研究进展：研究人员在国际上首次在分子水平展示了覆盖度小于一个单分子层的水在锐钛矿TiO₂（101）表面吸附的微观图像；首次发现了水分子通过锐钛矿TiO₂衬底的媒介作用（界面电子转移）而相互排斥或吸引，形成局域排列有序的2×2表面超晶格结构。据悉，氢由于其燃烧值高且燃烧后的产物（水）不对环境造成任何污染，被普遍认为是一种理想、无污染的绿色能源。氢能作为解决能源危机和环境问题的理想途径之一而成为世界各国竞相发展的焦点。在众多氢能开发的手段中，利用太阳能光催化分解水制氢是最为理想、最有前途的手段之一。自1972年日本学者Fujishima等发现TiO₂表面能光催化分解水制氢以来，水在TiO₂表面吸附的研究一直是氧化物表面领域的研究热点之一。由于大尺寸的锐钛矿相单晶样品至今稀缺，虽然亚稳态的锐钛矿相的光催化活性更高，但是迄今为止，人们的研究都集中于水在最稳定的金红石相TiO₂（110）单晶表面的吸附。在最新研究中，何云斌及其合作者采用自然矿物单晶做样品，结合先进的低温高分辨STM技术和密度泛函理论计算，第一次在分子水平展示了覆盖度小于一个原子层的水在锐钛矿TiO₂（101）表面吸附的微观图像。研究结果表明：水在完整的（即没有O空位之类的缺陷）锐钛矿TiO₂（101）表面是以分子态吸附，即并不产生分解；吸附的水分子通过锐钛矿TiO₂衬底的媒介作用（界面电子转移）而发生相互吸引或排斥，形成局域排列有序的2×2表面超晶格结构。这一发现表明，水在锐钛矿TiO₂（101）表面的吸附与在其他TiO₂表面和其他金属、氧化物表面的吸附都有很大不同。据介绍，在金红石相TiO₂（110）表面，由于表面O空位的存在，水是以裂解（羟基）和分子态混合的状态吸附。由于氢键作用，吸附在固体表面的水分子通常表现出相互吸引；而在锐钛矿TiO₂（101）表面，沿【010】方向水分子却表现出相互排斥。何云斌及其合作者把这些现象归结为锐钛矿TiO₂（101）表面的特殊晶体及电子结构，这些研究结果为人们进一步深入认识水在TiO₂表面的光催化分解微观机理，从而最终实现氢能源的绿色、价廉和可靠的制备奠定了基础。（来源：科学时报鲁伟吴珊杨洪波）