Ultrafast Real-Time Dynamics of CO Oxidation over an Oxide Photocatalyst

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作者
Michael Wagstaffe,Lukas Wenthaus,Adrián Domínguez-Castro,Simon Chung,Guilherme Dalla Lana Semione,Steffen Palutke,Giuseppe Mercurio,Siarhei Dziarzhytski,H. Redlin,N. Klemke,Yudong Yang,Thomas Frauenheim,Adriel Domínguez,Franz X. Kärtner,Ángel Rubio,W. Würth,Andreas Stierle,Heshmat Noei
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:10 (22): 13650-13658 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acscatal.0c04098
摘要

Femtosecond X-ray laser pulses synchronized with an optical laser were employed to investigate the reaction dynamics of the photooxidation of CO on the anatase TiO2(101) surface in real time. Our time-resolved soft X-ray photoemission spectroscopy results provide evidence of ultrafast timescales and, coupled with theoretical calculations, clarify the mechanism of oxygen activation that is crucial to unraveling the underlying processes for a range of photocatalytic reactions relevant to air purification and self-cleaning surfaces. The reaction takes place between 1.2 and 2.8 (±0.2) ps after irradiation with an ultrashort laser pulse leading to the formation of CO2, prior to which no intermediate species were observed on a picosecond time scale. Our theoretical calculations predict that the presence of intragap unoccupied O2 levels leads to the formation of a charge-transfer complex. This allows the reaction to be initiated following laser illumination at a photon energy of 1.6 eV (770 nm), taking place via a proposed mechanism involving the direct transfer of electrons from TiO2 to physisorbed O2.

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