用飛秒脈沖激光輻照二氧化鈦及其表面吸附的染料，從染料分子轉(zhuǎn)移到二氧化鈦表面，觀察到去質(zhì)子化染料的熒光。圖片來源：J. Phys. Chem. C. 2021 American Chemical Society.
光催化劑是水裂解制氫的重要組成部分。日本信州大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院的科學(xué)家致力于改進(jìn)2020年發(fā)表的一項鈦表面研究。先關(guān)研究近日發(fā)表于《物理化學(xué)雜志C》。
在紫外光的照射下，二氧化鈦光催化劑的表面親水性得到了改善。長期以來科學(xué)家預(yù)測，在紫外光照射下，二氧化鈦光催化劑表面會生成堿性的表面羥基，這可能是光誘導(dǎo)親水性的起源。然而，光誘導(dǎo)的表面羥基數(shù)量較少，難以用常規(guī)方法的靈敏度進(jìn)行觀察。
在紫外光照射下，二氧化鈦表面化學(xué)狀態(tài)的時間變化不能通過常規(guī)的FTIR或拉曼光譜等常規(guī)方法觀察到。因此，信州大學(xué)教授Hiromasa Nishikiori領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊通過時間分辨熒光光譜法觀察了這個反應(yīng)。
研究小組注意到熒光素在“激發(fā)態(tài)”中的單陰離子轉(zhuǎn)變?yōu)槎庪x子（去質(zhì)子化的物質(zhì)），在紫外線照射下，質(zhì)子從熒光素染料轉(zhuǎn)移到二氧化鈦表面，這是以前尚未通過瞬態(tài)吸收光譜確定的。
熒光素是一種對光和酸堿度敏感的有機(jī)染料，吸附在二氧化鈦表面作為探針分子。該團(tuán)隊使用飛秒脈沖激光的時間分辨表面等離子體共振（SPR）光譜，可以間接觀察到質(zhì)子從染料到二氧化鈦表面的轉(zhuǎn)移過程，并證實了堿性羥基的形成。
當(dāng)鈦表面和吸附在其表面的染料被紫外光照射時，染料分子的激發(fā)態(tài)發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移到鈦表面，并產(chǎn)生堿性羥基，從去質(zhì)子化染料的激發(fā)態(tài)觀察到熒光。圖片來源：J. Phys. Chem. C. 2021 American Chemical Society.
通過紫外輻照時間的觀察發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦表面的羥基接受了熒光素單陰離子的質(zhì)子，表面堿性增強(qiáng)。利用對光和酸堿度敏感的有機(jī)染料進(jìn)行時間分辨熒光探針觀察是一種非常有效的方法，可在很短的時間內(nèi)觀察固體表面發(fā)生的小的光誘導(dǎo)行為（質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程）。
通過建立SPR光譜法，研究者成功地觀察了熒光素的二陰離子和一陰離子的比值。Nishikiori希望通過建立這種簡單的方法，使研究人員能夠觀察和評估光催化的活性，推動光催化水裂解制氫的研究。
