Ultraschnelle oberflächenspezifische Spektroskopie von Wasser an einem photoangeregten TiO2‐Modell‐Photokatalysator zur Wasserspaltung

Abstract

AbstractEin kritischer Schritt bei der photokatalytischen Wasserdissoziation ist die lochvermittelte Oxidationsreaktion. Einblicke auf molekularer Ebene in den Mechanismus dieser komplexen Reaktion unter realistischen Bedingungen mit hoher zeitlicher Auflösung sind äußerst wünschenswert. Wir verwenden Femtosekunden zeitaufgelöste, oberflächenspezifische Summenfrequenzspektroskopie, um die photoinduzierte Reaktion direkt an der Grenzfläche des Photokatalysators TiO2 in Kontakt mit flüssigem Wasser bei Raumtemperatur zu untersuchen. Dank der inhärenten Oberflächenspezifität der spektroskopischen Methode können wir spezifisch die Reaktion von den Grenzflächenwassermolekülen direkt an der Grenzfläche auf Zeitskalen auf denen die Reaktion abläuft verfolgen. Nach der Erzeugung von Löchern an der Oberfläche des Katalysators, sofort nach der Photoanregung mit UV‐Licht, erfolgt die Wasserdissoziation auf einer Zeitskala von unter 20 ps. Der Reaktionsmechanismus ist bei pH 3 und 11 ähnlich. In beiden Fällen beobachten wir die Umwandlung von H2O in Ti−OH‐Gruppen und die Deprotonierung bereits vorhandener Ti−OH‐Gruppen. Diese Studie bietet einzigartige experimentelle Einblicke in die frühen Schritte der photoinduzierten Dissoziationsprozesse an der Photokatalysator‐Wasser Grenzfläche, die für die Entwicklung verbesserter Photokatalysatoren relevant sind.