用飞秒脉冲激光辐照二氧化钛及其表面吸附的染料，从染料分子转移到二氧化钛表面，观察到去质子化染料的荧光。图片来源：J. Phys. Chem. C. 2021 American Chemical Society.
光催化剂是水裂解制氢的重要组成部分。日本信州大学和佐治亚理工学院的科学家致力于改进2020年发表的一项钛表面研究。先关研究近日发表于《物理化学杂志C》。
在紫外光的照射下，二氧化钛光催化剂的表面亲水性得到了改善。长期以来科学家预测，在紫外光照射下，二氧化钛光催化剂表面会生成碱性的表面羟基，这可能是光诱导亲水性的起源。然而，光诱导的表面羟基数量较少，难以用常规方法的灵敏度进行观察。
在紫外光照射下，二氧化钛表面化学状态的时间变化不能通过常规的FTIR或拉曼光谱等常规方法观察到。因此，信州大学教授Hiromasa Nishikiori领导的团队通过时间分辨荧光光谱法观察了这个反应。
研究小组注意到荧光素在“激发态”中的单阴离子转变为二阴离子（去质子化的物质），在紫外线照射下，质子从荧光素染料转移到二氧化钛表面，这是以前尚未通过瞬态吸收光谱确定的。
荧光素是一种对光和酸碱度敏感的有机染料，吸附在二氧化钛表面作为探针分子。该团队使用飞秒脉冲激光的时间分辨表面等离子体共振（SPR）光谱，可以间接观察到质子从染料到二氧化钛表面的转移过程，并证实了碱性羟基的形成。
当钛表面和吸附在其表面的染料被紫外光照射时，染料分子的激发态发生质子转移到钛表面，并产生碱性羟基，从去质子化染料的激发态观察到荧光。图片来源：J. Phys. Chem. C. 2021 American Chemical Society.
通过紫外辐照时间的观察发现，二氧化钛表面的羟基接受了荧光素单阴离子的质子，表面碱性增强。利用对光和酸碱度敏感的有机染料进行时间分辨荧光探针观察是一种非常有效的方法，可在很短的时间内观察固体表面发生的小的光诱导行为（质子转移过程）。
通过建立SPR光谱法，研究者成功地观察了荧光素的二阴离子和一阴离子的比值。Nishikiori希望通过建立这种简单的方法，使研究人员能够观察和评估光催化的活性，推动光催化水裂解制氢的研究。
相关论文信息：
Hiromasa Nishikiori et al, Observation of Excited State Proton Transfer between the Titania Surface and Dye Molecule by Time-Resolved Fluorescence Spectroscopy, The Journal of Physical Chemistry C (2021). DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c05843
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