光谱研究表明助催化剂外围的电子驱动光催化产氢

杉本俊树(ToshikiSugimoto)领导的研究人员利用迈克尔逊干涉仪在原位FT-IR光谱上同步光催化剂的周期性激发，成功观察并识别了光催化产氢的反应电子种类。与之前的假设相反，这项研究表明，直接参与光催化作用的不是金属助催化剂中的自由电子，而是被困在助催化剂外围的电子。

自1972年Honda和Fujishima发现光电化学制氢以来，异相光催化得到了深入研究，至今仍是科学技术领域的热门话题。特别是，了解光催化还原反应中的活性电子物种和活性反应位点对于设计和制造具有更高制氢活性的创新催化剂(作为可持续能源载体)至关重要。

然而，尽管光催化具有根本的重要性，但由于实验中观察和提取源自光激发活性电子物质的弱光谱信号存在固有困难，因此对光催化的微观理解仍然是一个极具挑战性的问题。

这主要是因为在实际光催化反应条件下，催化剂样品在连续光子照射下不可避免地会出现温度升高，在这种情况下，来自活性光激发电子物种的弱信号很容易被来自热激发非活性电子的强背景信号所淹没。

日本综合研究大学分子科学研究所的研究人员(佐藤宏昌博士和杉本敏树教授)成功显著抑制了来自热激发电子的信号，并观察到了有助于光催化氢释放的反应性光生电子。

这项创新是通过一种新方法实现的，该方法基于光催化剂的毫秒周期性激发与用于FT-IR光谱的迈克尔逊干涉仪的同步。该演示是在蒸汽甲烷重整和水分解条件下使用金属负载氧化物光催化剂实现的。

虽然长期以来人们传统上认为负载的金属助催化剂是光生电子的吸收器和还原反应的活性位点，但他们发现，金属助催化剂中的自由电子物质并不直接参与光催化还原反应，而是被浅层捕获在氧化物间隙态中的电子，在负载金属助催化剂后有助于提高氢气的析出速率。

带隙态，特别是金属诱导的半导体表面态中的电子丰度与反应活性有明显的相关性，这表明在金属助催化剂外围形成的这种金属诱导的半导体表面态在光催化产氢中起着关键作用。

这些微观见解改变了传统上认为的金属助催化剂在光催化中的作用的范式，并为合理设计金属/氧化物复合物界面作为非热析氢的有希望的平台提供了根本基础。

此外，原位透视 光谱的新方法可广泛应用于光子和/或外部电场/电位驱动的其他催化反应体系和材料。因此，新方法在揭示提高催化剂性能的隐藏关键因素方面具有巨大潜力。