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Hydrogen-Bond Network Promotes Water Splitting on the TiO2 Surface

化学 氢键 分解水 催化作用 分子 曲面(拓扑) 光催化 化学物理 纳米技术 化学工程 有机化学 几何学 数学 工程类 材料科学
作者
Xiaochuan Ma,Yongliang Shi,Jianyi Liu,Xintong Li,Xuefeng Cui,Shijing Tan,Jin Zhao,Bing Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (30): 13565-13573 被引量:160
标识
DOI:10.1021/jacs.2c03690
摘要

Breaking the strong covalent O-H bond of an isolated H2O molecule is difficult, but it can be largely facilitated when the H2O molecule is connected with others through hydrogen-bonding. How a hydrogen-bond network forms and performs becomes crucial for water splitting in natural photosynthesis and artificial photocatalysis and is awaiting a microscopic and spectroscopic understanding at the molecular level. At the prototypical photocatalytic H2O/anatase-TiO2(001)-(1×4) interface, we report the hydrogen-bond network can promote the coupled proton and hole transfer for water splitting. The formation of a hydrogen-bond network is controlled by precisely tuning the coverage of water to above one monolayer. Under ultraviolet (UV) light irradiation, the hydrogen-bond network opens a cascaded channel for the transfer of a photoexcited hole, concomitant with the release of the proton to form surface hydroxyl groups. The yielded hydroxyl groups provide excess electrons to the TiO2 surface, causing the reduction of Ti4+ to Ti3+ and leading to the emergence of gap states, as monitored by in situ UV/X-ray photoelectron spectroscopy. The density functional theory calculation reveals that the water splitting becomes an exothermic process through hole oxidation with the assistance of the hydrogen-bond network. In addition to the widely concerned exotic activity from photocatalysts, our study demonstrates the internal hydrogen-bond network, which is ubiquitous at practical aqueous/catalyst interfaces, is also indispensable for water splitting.
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