Deuterium Kinetic Isotope Effect in the Photocatalyzed Dissociation of Methanol on TiO2(110)

化学 动力学同位素效应 甲醇 光化学 离解(化学) 甲醛 反应机理 物理化学 催化作用 有机化学 量子力学 物理
作者
Zhiqiang Wang,Qunqing Hao,Zhiqiang Wang,Xinchun Mao,Zhibo Ma,Zefeng Ren,Dongxu Dai,Chuanyao Zhou,Xueming Yang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:122 (46): 26512-26518 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.8b09077
摘要

Deuterium kinetic isotope effect (KIE) in the photochemistry of methanol on TiO2(110) has been studied to find the rate-determining step (RDS) and understand the reaction mechanism using two-photon photoemission spectroscopy. Deuterium substitution of the methyl hydrogen has little effect on the kinetics of this reaction, suggesting that neither the break of the C–H(D) bond nor the transfer of the H(D) atoms to the bridging sites is the RDS in the transformation of methanol into formaldehyde. In contrast, the reaction rate of MeOH is ∼1.3 times that of MeOD, suggesting that the cleavage of O–H(D) is the RDS in the photocatalyzed dissociation of methanol on TiO2(110). The results contradict the common fact that C–H(D) is more difficult to break than O–H(D) based on ground-state energetics, implying the involvement of photogenerated charge carriers in the reaction of the C–H breakage, whereas the cleavage of O–H is likely a thermal reaction. Difference in the activation energy of O–H and O–D dissociation reaction in the methanol/TiO2(110) system has been calculated based on the KIE measurements. Our work is consistent with the fact that methoxy is photocatalytically more reactive than methanol and suggests that the conversion of methanol into methoxy is crucial in the photochemistry of methanol on TiO2(110) and probably other metal oxide semiconductor surfaces.
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