近日，中科院大連化學物理研究所楊學明院士應邀為Energy & Environmental Science雜志撰寫題為Surface Photochemistry Probed by Two-Photon Photoemission Spectroscopy的綜述文章。該文簡要回顧了雙光子光電子能譜(2PPE)在表面光化學動力學研究中的應用歷史，詳細闡述了用該方法揭示的甲醇在TiO2表面光催化解離的機理，并展望了2PPE和其他表面科學技術(shù)相結(jié)合在未來的表面光催化動態(tài)學研究中的應用。

雙光子光電子能譜是研究金屬和金屬氧化物表面和界面電子結(jié)構(gòu)及激發(fā)態(tài)動態(tài)學的有力工具。它利用激光(尤其是飛秒激光)峰值功率高的特點，通過雙光子吸收實現(xiàn)兩步激發(fā)。第一個光子將電子從費米能級之下激發(fā)到費米能級之上，第二個光子再將其激發(fā)到真空能級之外，收集光電子的能量和角度信息就得到了雙光子光電子能譜。由于是兩步激發(fā)，因此通過泵浦-探測實驗就可以研究激發(fā)態(tài)的壽命以及電荷的弛豫和轉(zhuǎn)移等動態(tài)學信息，這是傳統(tǒng)的單光子光電子能譜如紫外光電子譜和X射線光電子譜所不具備的。表面結(jié)構(gòu)的變化往往伴隨著電子結(jié)構(gòu)的變化，因此通過追蹤電子結(jié)構(gòu)的演化過程，就可以測量表面反應的動力學。

近年來，楊學明研究組自行研制了時間分辨的飛秒雙光子光電子能譜儀，發(fā)展了用實時雙光子光電子能譜方法研究表面光化學和光催化的方法，并率先將該方法應用到TiO2表面光催化反應機理的探索中。ROH/TiO2這個體系是與能源和環(huán)境密切相關(guān)的，楊學明等深入細致地研究了水和簡單醇類在金紅石TiO2(110)表面的光化學動力學，取得了系列原創(chuàng)性成果(發(fā)表在英國皇家化學會化學期刊Chemical Science上 論文1 論文2)。其中甲醇在TiO2(110)表面光催化解離的工作是首次對甲醇在TiO2單晶表面的光化學機理進行的研究(Surf. Sci. Rep. 66, 185(2011))，被Science雜志以Breaking Methanol為題進行了報道(鏈接)，并被Chemistry World評為Cutting Edge Chemistry in 2010。

盡管用雙光子光電子能譜研究表面光化學和光催化才剛剛起步，但是它已經(jīng)顯示了在機理研究方面的巨大潛力。通過和掃描隧道顯微鏡、程序控溫脫附等表面分析技術(shù)相結(jié)合，有助于我們明確表面反應的活性位和產(chǎn)物;與超快紅外激光相結(jié)合，可以研究振動激發(fā)對表面反應的影響;通過其他超快光源泵浦，用雙光子光電子能譜探測則可以從微觀上研究表面反應的時間尺度。