前言：
2018年4月17日，Nature Catalysis在线发表了华东理工大学胡培君/王海丰教授团队关于TiO2光催化析氧方面的论文，论文定量分析了水/TiO2(110)界面处OER反应的全过程，确定了表面光生空穴浓度是限制TiO2光催化OER活性的关键因素。
共同第一作者：Dong Wang, Tian Sheng
第一单位：华东理工大学
课题背景：
利用太阳能光催化分解水制氢是解决人类能源问题的重要途径，其中析氧半反应是动力学慢反应，限制了整个反应的效率。一般，人们认为OER反应需要克服高的势垒，光催化剂的本征活性不高。理解OER反应的机理对合理设计催化剂体系，提升光催化剂性能具有重要的指导作用。但受OER反应的复杂性以及传统研究手段的局限性影响，过去的研究并没有完全搞清楚这些问题。亟待解决的问题包括：
1. What is the favoured reaction mechanism of the photocatalytic OER?
2. Which factor determines the overall efficiency?
3. How can we further improve the efficiency?
本文亮点：
本文采用最稳定的金红石TiO2(110)面作为模型催化剂体系，对水/TiO2界面处的光催化OER反应机理进行了大量的第一性原理分子动力学模拟。论文对OER反应的整体途径，包括H2O的解离，活性自由基的产生，O-O偶联反应等有系统地讨论。通过详尽的机理研究和微观动力学分析，论文提出实验条件下TiO2的本征活性并不是限制OER反应效率的关键因素。真正的决定性因素是达到TiO2催化剂表面的光生空穴的浓度。这一结果表明
在光生空穴浓度达到阈值之前(10-4)，提升OER反应效率的关键在于提升光生空穴的浓度。图文解析：
图1. 水/TiO2(110)界面处OER反应的示意图
理论上，计算OER反应面临两个难点：
1. 确定表面光生自由基的准确位置，因为这涉及到OER反应的不同途径。
2. 可靠地计算水/TiO2界面处发生的反应。
为解决上述难题，本文提出了一种MPA-MD法（具体内容请大家阅读原文）。
表1. 不同计算方法所得到的反应势垒对比
图2. 水解离反应的路径能线图
整体而言，OER反应可以分为两个部分：1. 水解离形成表面物种；2. O-O键形成，生成O2. 本文分两步对机理进行了研究。
图3. 光催化OER反应的机理和路径能线图
图4. 不同表面自由基O-O偶联反应的路径能线图
表2. 每个基元步骤的反应能量
图5. 微观动力学模拟TOF随空穴浓度的变化
王海丰
华东理工大学教授，2017年入选国家“万人计划”青年拔尖人才（2017），2017年上海市曙光学者，2016年获得国家自然科学优秀青年基金，2015年入选中国科协“青年人才托举工程”，2015荣获华东理工大学青年英才校长奖，2014年荣获中国催化新秀奖（1/5），2014年上海市青年科技启明星，上海市晨光学者。主要从事计算化学和理论催化研究。研究以催化剂理性筛选和设计为目标，重点关注催化活性理论及新方法发展、金属及氧化物材料催化新机理和构效关系的建立，并聚焦光电转换和水分解制氢等能源/环境体系催化材料的优化调控和理论预测。发表SCI论文60余篇，其中以第一或通讯作者发表包括Nature Commun (4)、Angew Chem (3)、Adv Mater (1)、Nano Lett (1)、WIRES Comupt Mol Sci (1)、ACS Catal (8)等在内的论文40余篇（影响因子>10论文18篇，封面论文5篇，3篇入选ESI高被引论文和1篇热点论文），论文SCI他引1600余次，单篇最高他引180次。现担任Chinese Chemical Letter青年编委、Frontier in Carbon-based Materials评审编委等。
胡培君
理论催化专家，1957年8月8日出生于上海。1982年3月毕业于华东理工大学，获学士学位，1993年6月毕业于英国剑桥大学，获博士学位。2004任英国女王大学（Queen’s University Belfast）教授，现任华东理工大学国家“千人计划”特聘教授，2009当选为爱尔兰皇家学院院士。长期从事催化反应模拟和催化剂理论的研究，是国际理论催化领域具有重要影响的学术带头人之一。在过去的二十几年里，他为非均相催化反应量子力学计算的实现和发展，特别是非均相催化反应微观基础理论的发展，做出了杰出的贡献，在国际重要学术刊物上发表研究文章170多篇，其中包括2篇Nature，4篇Nature Communications,15篇J. Am. Chem. Soc.，7篇Angew. Chem. Int. Ed.，4篇Phys. Rev. Lett.，论文被引用次数达7000多次，其中高被引论文（理论催化领域30年内引用次数前5%）占所有论文的14 %，H因子为46 ，在国际同行中名列前茅。
备注：以上内容来自华东理工大学官网
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