A Surface Femtosecond Two-Photon Photoemission Spectrometer for Excited Electron Dynamics and Time-Dependent Photochemical Kinetics

搭建了一套研究金属和金属氧化物表面的超快激发态电子动力学和光化学动力学的飞秒双光子光电子能谱仪. 该装置将半球形电子能量分析仪和成像技术相结合,同时测量光电子的能量和角度分布.通过Mach-Zehnder干涉仪测量时间分辨的双光子光电子能谱获得超快激发电子态的动力学信息. 这一功能在Cu(111)上得到了证实. 另外还发展了一个通过实时测量双光子光电子能谱来研究表面光化学的方法,并成功应用到CH₃CH₂OH/TiO₂(110)体系. 研究表明,只有将两种方法结合起来才能正确地研究光诱导的表面激发共振的动力学.     

甲醇/TiO2(110)界面激发态的表征

用光电子能谱的方法研究了甲醇/TiO₂(110)界面的电子结构．在激发波长为400 nm的双光子光电子能谱(2PPE)中,探测到了一个末态能量在费米能级以上5.5 eV的共振信号．之前的研究[Chem. Sci. 1, 575 (2010)]表明,这个共振信号与甲醇在5配位的钛离子(Ti_5c)上的光催化解离相关．双光子光电子能谱同时携带初态和中间态的信息．为此设计了一个调谐激发光波长的2PPE实验以及一个单光子光电子能谱(1PPE)和2PPE对比的实验,结果一致表明这个共振信号来自于未占据的中间态,也就是激发态．能带色散关系测量表明这个激发态是局域的．时间分辨2PPE测得这个激发态的寿命是24 fs．     

臭氧修饰(001)晶面TiO2纳米片及其光催化降解甲苯研究

本文系统研究了臭氧修饰对(001)主导晶面锐钛矿型TiO₂光催化剂降解甲苯性能的影响. 利用自行搭建的光催化VOCs降解装置对催化剂光降解甲苯的性能进行了测试. 通过多种表征手段,结合原位DRIFTS和DFT计算研究了臭氧表面修饰及甲苯吸附和降解机理. 结果表明,用臭氧进行表面修饰可以显著提高(001)主导晶面TiO₂光催化降解甲苯的性能. (001)晶面上丰富的5c-Ti不饱和配位是臭氧分子的吸附位点,其解离后形成的Ti-O键与H₂O分子结合,在表面生成大量孤立的Ti_5c-OH. Ti_5c-OH 是甲苯分子的吸附位,它的形成显著提高了对甲苯分子的吸附能力. 在光照下Ti_5c-OH与光生空穴结合能形成·OH自由基. 通过臭氧解离产生的O₂也可以与光生电子结合形成超氧自由基. 这些具有强氧化性活性自由基的形成促进了对气相甲苯的光催化降解速率.     

甲醇在二氧化钛上的光化学性质与表面结构的相关性

通过双光子光电子的方法探测了TiO₂(011)-(2×1) 和TiO₂(110)-(1×1)表面的光催化氧化甲醇的性质. 在吸附了甲醇的二氧化钛(011)和(110)界面处探测到了一个费米能级以上2.5 eV的电子激发态,该电子激发态可作为测试二氧化钛界面还原性的探针使用. 利用此探针在甲醇/TiO₂(011)-(2×1)和甲醇/TiO₂(110)-(1×1)界面探测到了一个随光照时间的电子激发态信号变化,这一变化可以归于光催化生成的表面羟基对界面还原性的影响. 由此得出的光催化氧化甲醇的速率TiO₂(110)-(1×1)比TiO₂(011)-(2×1)快了大约11.4倍. 这可能由于表面原子结构排布的原因不同. 本工作不仅介绍了一个利用双光子光电子能谱探测到的甲醇/TiO₂界面电子结构的细节特征,还揭示了表面结构对二氧化钛光反应性质的重要影响.     

在太阳光照射和不外加酸下TiO2双功能催化剂光催化还原Cr(VI)离子

利用硫酸氧钛铵的热分解控制制备了氮和硫共同掺杂的TiO₂双功能光催化剂. TiO₂双功能光催化剂同时具备光催化性能和较强的Br?nsted酸性,因此能够在太阳光照射和不外加酸下有效光催化还原Cr(VI)离子. 其光催化还原Cr(VI)离子的活性要优于通过外加硫酸调节到等同pH值和太阳光照射下P25光催化剂光催化还原Cr(VI)离子的活性.     

特定位点上CO2与(TiO2)n团簇相互作用的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论系统地研究了(TiO₂)_n团簇上二氧化碳(CO₂)的吸附和活化性质. 计算结果表明,CO₂更倾向于吸附在(TiO₂)_n团簇的桥氧原子上,形成“化学吸附”碳酸盐络合物. 而CO更倾向于吸附到末端Ti-O的Ti原子上. 发现计算得到的碳酸盐振动频率值与实验获得的结果非常吻合,这表明配合物中CO₂的几何构型与其线性型相比,有微小的弯转. 通过对电子结构、电荷密度、电离势、HOMO-LUMO以及态密度的分析,证实了CO₂与团簇之间的电荷转移以及相互作用. 从预测的能量分布图来看,(TiO₂)_n团簇上的CO₂活化与结构密切有关,相比于块体的TiO₂,CO₂在团簇结构上更易于吸附和活化.     

高比表面积TiO2与g-C3N4复合材料的光催化性能及机理研究

本文通过简单的溶剂热法制备了g-C₃N₄与高比表面积的TiO₂复合材料,该方法操作简单且能耗低. 甲基橙降解实验结果表明,高比表面积的TiO₂有效提高了光催化活性. 光电化学测试结果表明,与g-C₃N₄复合后,TiO₂的电荷载流子迁移速率得到明显改善. g-C₃N₄/高比表面积-TiO₂的光催化活性很强,在100分钟内,6%-g-C₃N₄/高比表面积-TiO₂对甲基橙的降解程度可达92.44%. 6%-g-C₃N₄/高比表面积-TiO₂不仅具有良好的光催化降解性能,还具有较高的稳定性. 本文对6%-g-C₃N₄/高比表面积-TiO₂的光催化机理也进行了系统的研究.     

离子注入掺杂锐钛矿TiO2薄膜的光学性能

 在玻璃基体上,采用射频磁控溅射方法在不同的基体温度下制备了TiO₂薄膜,然后在薄膜中注入注量分别为5×1016, 1×1017和5×1017/cm2的N离子以制备N掺杂的TiO₂薄膜。X射线衍射结果表明：制备出的TiO₂薄膜为锐钛矿型。X射线光电子能谱研究结果表明：注入的N离子与TiO₂晶粒相互作用,形成了含氮的TiO_xN_2-x化合物,从而改变了TiO₂薄膜的吸收边;随N离子注量增加,吸收边移动更明显;同时,由于氮离子注入产生的辐照缺陷使TiO₂薄膜在紫外和可见光区的吸收也明显增强。     

Synchrotron-Radiation Photoemission Study of Growth and Stability of Au Clusters on Rutile TiO2(110)-1×1

利用同步辐射高分辨光电子能谱研究了金团簇在部分还原TiO₂-(1×1)表面的生长和稳定性．价带谱实验结果观察到非常少量金团簇的沉积导致了Ti3+的3d峰完全消失,表明金团簇成核在TiO₂-(1×1)表面的氧缺陷位．Au4f芯电子光电子能谱实验结果证明了TiO₂-(1×1)表面氧缺陷位向金团簇转移电荷．还对比研究了化学剂量比和部分还原的TiO₂-(1×1)表面上金团簇的热稳定性．当金团簇尺寸相近时部分还原的TiO₂-(1×1)表面上金团簇要比化学剂量比的TiO₂-(1×1)面上金团簇稳定;在相同的表面上尺寸大的金团簇要比尺寸小的金团簇稳定．     

C掺杂锐钛矿相TiO2吸收光谱的第一性原理研究

运用第一性原理,对C掺杂锐钛矿相TiO₂的电子结构进行了研究,从能带结构理论解释了C掺杂TiO₂吸收光谱的一些实验现象.发现在C掺杂后的锐钛矿相TiO₂的禁带宽度增大,并且在带隙中出现了杂质能级,这些杂质能级主要是由C 2p轨道上的电子构成的,它们之间是独立的,正是这些独立的杂质能级使TiO₂掺杂后可以发生可见光响应.价带上的电子可以吸收一定能量的光子跃迁到杂质能级,而杂质能级上的电子也可以吸收一定能量的光子跃迁到导带,所以从理论上可以计算出掺杂后的TiO₂在可见光范围内存在两个吸收边,与实验中所得到的现象相一致.     

甲醇分子在金红石TiO2(110)和锐钛矿TiO2(001)表面吸附和反应的活性位点

通过高分辨的扫描隧道显微术研究并比较了金红石型TiO₂(110)-(1×1)和锐钛矿型TiO₂(001)-(1×4)两种表面的活性位点． 在金红石型TiO₂(110)-(1×1)表面, 观察到氧空位缺陷是O₂和CO₂分子的活性吸附位点,而五配位的Ti原子是水分子和甲醇分子的光催化反应活性位点．在锐钛矿型TiO₂(001)-(1×4)表面,观察到完全氧化的表面,Ti原子更可能是六配位的,H₂O和O₂分子均不易在这些Ti原子上吸附．经还原后表面出现富Ti的缺陷位点, 这些缺陷位点对H₂O和O₂分子表现出明显的活性． 锐钛矿型TiO₂(001)-(1×4)表面的吸附和反应活性并不具有很高的活性,某种程度上其表现出的活性似乎低于金红石型TiO₂(110)-(1×1)表面．     

直接观测乙醇分子在TiO2(110)面的光催化过程

利用扫描隧道显微镜研究了在低温(80 K)下乙醇分子在TiO₂(110)面的光解离过程．在这种温度下,大部分乙醇分子都以分子吸附的形式吸附在表面五配位钛位．在紫外光照射之后,乙醇发生了光解离,两种不同的产物特征被探测到．使用针尖操控技术对其中一种产物特征进行了详细的分析,成功了解了它的构成,中间一个五配位钛位吸附的乙醛分子加上位于左右两个不同氧列的羟基构成了这种产物．接着实施了多次光照实验来进一步研究乙醇两种光解离产物特征之间的联系．     

The location of excess electrons on H2O/TiO2(110) surface and its role in the surface reactions

Excess electrons play a key role in many of the properties of Titanium dioxide (TiO₂). Understanding their behaviour is important for improving the performance of TiO₂ in energy-related applications. Here, we describe a DFT + U study of the locations of the unpaired electron (UPE) on rutile TiO₂(110) (R-TiO₂(110)) surface and H₂O/R-TiO₂(110) surface. Our results show that the subsurface are preferred with R-TiO₂(110) surface. In contrast to previous studies, we find that the UPE tends to migrate to the surface H₂O-Ti_5c (the five-coordinated titanium (Ti_5c) at surface with H₂O adsorption) with the increasing of H₂O coverage and UPE concentration. In addition, we have shown that the UPE plays an important role in the O-H bond dissociation and other important elementary reactions in photo-catalytic H₂O dissociation on R-TiO₂(110) such as H, OH and H₂ desorption. Specifically, it enhances the O-H bond dissociation, as well as H and H₂ desorption from bridging hydroxyl and Ti_5c-OH (the Ti_5c with OH adsorption), but hinders the OH and H desorption from Ti_5c. We believe our results afford a further understanding of the adsorbent dependent UPE migration, and the role of UPE in the surface reactions.     

甲醇在TiO2(110)表面光催化氧化的波长相关性

用程序升温脱附谱的方法研究了甲醇在TiO₂(110)表面光催化氧化的波长相关性．对于不同波长的激发光,甲醇光催化解离的产物相似,都是在光照的过程中通过O-H键和C-H键的断裂形成甲醛,解离出的氢原子转移到相邻的两配位的桥氧原子(O_b)上形成O_bH．但是反应速率与激发光波长强烈相关．在360 nm光照下,甲醇的反应速率是400 nm光照时的4.8倍．这与以前使用时间分辨的飞秒激光吸收光谱测量的结果是一致的,他们认为近带隙激发和过带隙激发产生的电荷相比,前者的复合速率要远快于后者．     

CH3OH/TiO2(110)界面的光电子能谱研究

Methanol/TiO₂(110) is a model system in the surface science study of photocatalysis where methanol is taken as a hole capture. However, the highest occupied molecular orbital of adsorbed methanol lies below the valence band maximum of TiO₂, preventing the hole transfer. To study the level alignment of this system, electronic structure of methanol covered TiO₂(110) surface has been measured by ultraviolet photoelectron spectroscopy and the molecular orbitals of adsorbed methanol have been clearly identified. The results indicate the weak interaction between methanol and TiO₂ substrate. The static electronic structure also suggests the mismatch of the energy levels. These static experiments have been performed without band gap excitation which is the prerequisite of a photocatalytic process. Future study of the transient electronic structure using time-resolved UPS has also been discussed.     

Dissociation of liquid water on defective rutile TiO<Subscript>2</Subscript> (110) surfaces using <Emphasis Type="Italic">ab initio</Emphasis> molecular dynamics simulations

In order to obtain a comprehensive understanding of both thermodynamics and kinetics of water dissociation on TiO₂, the reactions between liquid water and perfect and defective rutile TiO₂ (110) surfaces were investigated using ab initio molecular dynamics simulations. The results showed that the free-energy barrier (~4.4 kcal/mol) is too high for a spontaneous dissociation of water on the perfect rutile (110) surface at a low temperature. The most stable oxygen vacancy (Vo₁) on the rutile (110) surface cannot promote the dissociation of water, while other unstable oxygen vacancies can significantly enhance the water dissociation rate. This is opposite to the general understanding that Vo₁ defects are active sites for water dissociation. Furthermore, we reveal that water dissociation is an exothermic reaction, which demonstrates that the dissociated state of the adsorbed water is thermodynamically favorable for both perfect and defective rutile (110) surfaces. The dissociation adsorption of water can also increase the hydrophilicity of TiO₂.     

Preparation and visible light photocatalytic activity of mesoporous N, S-codoped TiO2(B) nanobelts

The mesoporous N, S-codoped TiO₂(B) nanobelts are synthesized via hydrothermal synthesis and post-treatment, and characterized by X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), N₂ adsorption-desorption measurements (BET), X-ray photoelectron spectra (XPS), and UV-vis diffuse reflectance spectra (DRS). The results show that the prepared samples are mesoporous structured and exhibit stronger absorption in the visible light region with red shift in the absorption edge. The photocatalytic activity of N, S-codoped mesoporous TiO₂(B) nanobelts is evaluated by the photocatalytic photodegradation of potassium ethyl xanthate (KEX) under visible light irradiation. It is found that the photocatalytic activity of the prepared samples increases with increasing the molar ratio of thiourea to Ti (R). At R = 3, the photocatalytic activity of the N, S-codoped TiO₂(B) sample TBLTS-3 reaches a maximum value. With further increasing R, the photocatalytic activity of the sample decreases. The high photocatalytic activity of N, S-codoped TiO₂(B) nanobelts can be attributed to the balance between strong absorption in visible light region and low recombination rate of electron/hole pairs.