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相結合在未來的表面光催化動態學研究中的應用。

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構及激發態動態學的有力工具。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兩步激發。第一個光子將電子從費米能級之下激發到費米能級之上，第二個光子再將其激發到真空能級之外，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，因此通過泵浦-探測實驗就可以研究激發態的壽命以及電荷的弛豫和轉移等動態學信息，這是傳統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。表面結構的變化往往伴隨著電子結構的變化，因此通過追蹤電子結構的演化過程，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境密切相關的，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，取得了系列原創性成果(發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相結合，有助于我們明確表面反應的活性位和產物;與超快紅外激光相結合，可以研究振動激發對表面反應的影響;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。