二氧化钛作为一种重要的半导体材料，在有机物降解、水解制氢以及太阳能电池等方面有着广泛应用。由于大部分反应发生在水环境中，因此二氧化钛与水分子之间的相互作用一直是研究热点。近日，中科院上海应用物理研究所水科学研究室硕士生李亚东在高嶷研究员指导下，利用密度泛函理论计算，发现了水与二氧化钛锐钛矿（101）亚表面氧空位相互的新机制。相关研究工作近期发表在美国物理学会的Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 112, 206101 (2014))上。

二氧化钛表面的高反应活性一直以来被认为由其表面氧空位决定。近年来，科学家们在锐钛矿研究中发现亚表面以及体相氧空位比表面的氧空位更加稳定。当温度高于200K时，表面的氧空位就会迁移到体相中去。这些发现为理解锐钛矿表面的高反应活性带来了困惑。李亚东和高嶷通过计算模拟发现，水在锐钛矿表面的吸附可以造成表面氧空位与亚表面氧空位的相对稳定性发生反转，从而引发亚表面氧空位越过一个较低的能垒迁移到表面，形成表面氧空位。该表面氧空位进而可以诱导水分子分解，在锐钛矿表面上形成两个羟基。在另一条竞争路径中，水分子在亚表面氧空位上分解，也可诱导亚表面氧空位向表面的迁移。该机制说明锐钛矿表面的高反应活性不仅仅依赖于表面氧空位的多少，也同时决定于亚表面乃至体相氧缺陷的数量。这种新奇的基底与吸附质之间的相互作用一方面为理解锐钛矿（101）表面的高催化活性提供了新解释，另一方面也为理解其他金属氧化物表面的高反应活性提供了全新的视角。

该项研究工作得到了中国科学院、上海应用物理研究所、国家自然科学基金委、上海市科委、以及中国科学院北京超算中心、国家超级计算天津中心和上海超算中心的共同资助和支持。(水科学研究室 供稿)