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光催化析氢一直是能源领域的研究热点，合适的催化剂是反应的关键。日前，国际顶级学术期刊《自然》的催化领域子刊Nature Catalysis在线报道了华东理工大学化学学院计算化学中心/工业催化研究所胡培君/王海丰教授团队关于TiO2光催化析氧方面的理论研究成果，论文题目为“Identifying the Key Obstacle in Photocatalytic Oxygen Evolution on Rutile TiO2”。
利用太阳能光催化分解水制氢是解决人类能源问题的重要途径，其中析氧半反应（oxygen evolution reaction; OER）是光解水反应中限制整体催化活性的瓶颈所在。人们通常认为，OER需要克服较高的反应能垒，而大多数光催化剂（如TiO2）的本征催化活性不足，从而导致了OER较低的催化效率。许多前期工作试图运用化学改性方法来降低反应能垒，以期提高催化活性，而得到的结果却差强人意。归根结底，这是由于人们对于复杂光催化OER的反应机理尚不清晰，对其微观动力学行为及决速步骤缺乏认识，进而对高效光催化剂的优化设计缺少足够的理论论证，但这也是理论催化领域的重大挑战问题。
作者选取最稳定的金红石TiO2(110)表面作为模型催化剂体系，对于水/TiO2界面发生的光催化OER各个基元步骤进行了详尽的第一性原理分子动力学模拟（AIMD）计算研究；通过系统性研究包括H2O的解离、活性自由基的产生、O-O偶联等完整的OER反应路径，明确了自由基参与的双反应通道机理；结合微观动力学方法定量分析了光催化OER的全过程，揭示了实验条件下TiO2的本征催化活性并不是限制OER效率的重要因素，而真正的决定性因素是成功迁移到达TiO2表面的光生空穴的浓度。这一结果表明在光生空穴浓度达到理论阈值（10-4）之前，提升OER光催化效率的关键在于增大光生空穴的浓度，而非致力于降低反应能垒。
论文第一作者为王栋博士和盛天博士，通讯作者为王海丰教授和胡培君教授。该研究工作得到了国家自然科学重点基金、优秀青年基金、创新研究群体、中国科协首届青年人才托举工程等项目的支持。