Photoinduced Dynamics at the Water/TiO2(101) Interface

飞秒 材料科学 锐钛矿 吸附 化学物理 分子动力学 分析化学(期刊) 光催化 原子物理学 物理化学 物理 化学 计算化学 光学 激光器 催化作用 生物化学 色谱法
作者
Michael Wagstaffe,Adrián Domínguez-Castro,Lukas Wenthaus,Steffen Palutke,Dmytro Kutnyakhov,Michael Heber,Federico Pressacco,Siarhei Dziarzhytski,Helena Gleißner,Verena Kristin Gupta,H. Redlin,Adriel Domínguez,Thomas Frauenheim,Ángel Rubio,Andreas Stierle,Heshmat Noei
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:130 (10): 108001-108001 被引量:14
标识
DOI:10.1103/physrevlett.130.108001
摘要

We present a femtosecond time-resolved optical pump-soft x-ray probe photoemission study in which we follow the dynamics of charge transfer at the interface of water and anatase TiO_{2}(101). By combining our observation of transient oxygen O 1s core level peak shifts at submonolayer water coverages with Ehrenfest molecular dynamics simulations we find that ultrafast interfacial hole transfer from TiO_{2} to molecularly adsorbed water is completed within the 285 fs time resolution of the experiment. This is facilitated by the formation of a new hydrogen bond between an O_{2c} site at the surface and a physisorbed water molecule. The calculations fully corroborate our experimental observations and further suggest that this process is preceded by the efficient trapping of the hole at the surface of TiO_{2} by hydroxyl species (-OH), that form following the dissociative adsorption of water. At a water coverage exceeding a monolayer, interfacial charge transfer is suppressed. Our findings are directly applicable to a wide range of photocatalytic systems in which water plays a critical role.
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