近日，我校化学与分子工程学院计算化学中心/工业催化研究所王海丰教授课题组在Nature Communications上发表了题为“Bubble-water/catalyst triphase interface microenvironment accelerates photocatalytic OER via optimizing semi-hydrophobic OH radical”的研究论文，在线报道了团队在液固界面光催化析氧反应方面的最新研究成果。
水/催化剂界面为反应提供了独特的微环境，在原子尺度理解和优化该界面环境在多相催化领域具有重要意义和挑战性。作为太阳能转化为化学能的圣杯反应，光催化水分解受到水/催化剂界面氧气析出反应（OER）动力学缓慢的限制。最近的实验研究表明，升高温度可以显著提高OER活性。一般而言，该现象归因于温度（T）升高加速了反应动力学，即根据阿伦尼乌斯速率方程k=A×exp(−Ea/RT)，反应速率常数k通常随T升高而增大。然而，在常压水蒸汽的反应环境中，即使升高温度，OER活性也不会显著增加。因此，在原子水平揭示界面微环境、反应温度和反应活性之间的关系具有明确的意义。
图片说明：不同温度调控的界面微环境和OER活性
为了解决这一问题，团队首次在原子水平上定量地证明了温度调控的水/催化剂（TiO2）界面微环境，特别是温度诱导的气泡-水/TiO2三相界面微环境，对优化光催化OER活性起着重要的作用。具体而言，该研究表明在光催化OER过程中，关键的中间体OH•自由基表现出独特的相对疏水特性，导致其在形成过程中需要额外消耗能量来破坏周围的氢键网络。气泡-水/催化剂三相界面微环境具有相对无序和疏松的氢键网络，在保证质子转移通道的同时，可以有助于界面OH•自由基的形成，从而实现了优越的OER活性。基于此发现，作者进一步计算证明了在TiO2(110) 基底上引入疏水性六氟丙酮来调节水/TiO2界面微环境时，室温条件下光催化OER活性可以有约25倍的提高。这项研究揭示了界面微环境在调控光催化反应中起着重要的作用，并为通过调控界面微环境设计高催化活性体系提供了新的理论依据。
我校化学与分子工程学院博士研究生任冠华和博士后周敏为论文共同第一作者，陈建富副教授和胡培君教授为共同作者，王海丰教授为通讯作者。该工作得到了绿色化工与工业催化全国重点实验室，国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国博士后科学基金等项目的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46749-z