在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学所光化学实验室赵进才课题组章宇超等在光电催化水氧化研究方面取得一系列重要进展，揭示了赤铁矿（α-Fe2O3）光阳极光电催化水氧化过程中的质子耦合电荷转移机制（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2705；J. Am. Chem. Soc. 2023,145, 23849）和决速的氧–氧成键路径（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 3264）。

最近，该团队首次在四种典型半导体光阳极（即α-Fe2O3、BiVO4、TiO2和WO3）上观察到高光强条件下表面空穴的四级动力学过程。结合实验和理论计算，揭示该反应可通过几乎无势垒的路径进行，显著提升了水氧化速率。进一步深入研究了活化能与表面空穴密度之间的关系，明确了光电催化水氧化动力学中常见的Population模型和Butler-Volmer模型的适用范围。通过原位拉曼光谱和理论计算等手段，发现由四空穴累积形成的高能中间体通过界面处的氢键有效激活了表面吸附的水分子，并显著加速了界面处的电荷转移动力学。该工作不仅验证了高光强条件下四级动力学的存在，也为水氧化反应的机理研究提供了新的视角。

相关研究成果发表于Journal of the American Chemical Society (https://doi.org/10.1021/jacs.4c16443)上。论文第一作者为博士生刘思勤和党昆，通讯作者为章宇超研究员。

水氧化过程中的四级空穴动力学反应路径

北京分子科学国家研究中心光化学实验室

2025年2月12日