在光催化、光电材料、能源环境等领域，光照诱导的材料表面动态演化过程一直是机理研究的核心难题。传统X射线光电子能谱（XPS）设备仅能提供暗态下的静态化学态信息，无法准确追踪光照诱导的表面动态变化。近日，分析测试中心依托学校仪器设备开放共享基金项目（编号：KFGX2026008），自主研制了“面向光催化机理研究的XPS原位光照模块”，并成功应用于多项光催化、光电材料的原位研究。
XPS技术是材料表面化学态分析的核心手段，广泛应用于催化、能源、半导体等领域。然而，传统XPS测试只能在暗态条件下进行谱图采集，无法在光照过程中实时采集谱图。一个样品要进行XPS测试常常需要抽真空十余小时才能达到超高真空的测试条件，而对于光催化材料而言，光照诱导的缺陷生成、吸附氧脱附、表面羟基变化、金属价态转变等关键过程，恰恰发生在光照的瞬间。若只能在光照前后间隔十余小时进行XPS采集，就无法捕捉正确的动态演化过程，机理研究只能靠推测。这一瓶颈长期制约着研究者对光催化机理的深入理解。
在XPS设备上搭建“外置原位光照模块”
针对上述痛点，项目团队在XPS设备上自主研制了外置原位光照模块。所谓“原位”，就是让样品在XPS设备腔室内直接接受光照，无需取出或转移，从而实时监测光照过程中元素能级谱图的动态演化。该模块的研制，使XPS测试从“暗态静态分析”拓展为“光照动态追踪”，为光催化机理研究提供了实时、定量、动态的直接证据。
图1 XPS原位光照模块工作图
在光照模块中，采用与原设备规格一致的定制耐高温金属圈密封材料，可在光照过程中维持样品室的真空度稳定在1×10-8 Torr以下，保障XPS测试所需的超高真空环境质量。通过波纹管结构可调节光源引入位置，确保光照位置与XPS测试位置精准重合，保障光强均匀性与准直精度。配置聚焦透镜可实现光源的集中汇聚，提升光照效果。增设光纤导件结构，能够最大程度降低光传导过程中的光信号衰减，保障光路高效传输，同时避免对XPS测试过程造成电磁干扰或热辐射污染。采用标准SMA905光纤接口与独立外置光源模块设计，便于更换不同波长、不同功率的光源，也更利于后期设备维护。
建立“光照—表面化学与电子结构”之间的实时关联
依托该原位光照模块，介观光电子材料与器件团队项目团队对TiO₂材料进行了系统的UV光照XPS研究。结果表明，O 1s谱图中化学吸附氧的信号随光照时间实时衰减，证实UV处理能够诱导TiO₂表面化学吸附氧的脱附。
图2 TiO2的O 1s区域的高分辨率XPS光谱；UV-TiO2的O 1s区域的高分辨率XPS光谱
此外，对UV处理后的TiO₂在XPS腔室内暗态下静置24 h后再次测试，化学吸附氧信号未完全恢复，表明UV处理对TiO₂表面吸附氧状态产生了持续影响。这一发现为理解UV诱导TiO₂表面氧脱附过程及其后续用于调控TiO₂/Sn-Pb钙钛矿界面提供了实验依据。
新材料与器件研究中心项目团队依托于该原位光照模块，在暗态、365 nm和 532 nm光照条件下直接测量WSe2核能级的变化，原位光照XPS的核心作用是将原有的宏观电学证据进一步推进到电子结构层面，直接观察光照过程中W原子核能级及局域静电势的变化，从而建立“光照—界面电势—电子结构—器件双极性响应”之间的关联。
从“静态表征”到“动态追踪”，为多领域光催化研究提供关键支撑
该原位光照模块的研制与应用，使分析测试中心具备了光照条件下XPS动态表征能力，实现了从“暗态静态”到“光照动态”的能力跃升。模块结构紧凑、兼容性强，可直接搭载于现有XPS设备，具有良好的推广价值。
该原位光照模块自投入使用以来，已服务于多个课题组在TiO₂、WSe2、钙钛矿太阳电池等体系的光照原位研究。其中，分析测试中心表面分析团队依托该模块帮助光电学院韩宏伟教授课题组直接观测UV诱导TiO₂表面氧脱附的动态过程，为揭示其提出的“无损紫外（UV）辅助O₂解吸策略”的作用机制提供了实验依据，相关研究成果已发表在Small期刊上（YUE Q, MA Y, HAN H, et al. UV-Assisted Interfacial Oxygen Desorption for High-Performance Hole-Conductor-Free, Printable Mesoscopic Sn–Pb Perovskite Solar Cells[J]. Small, 2026, e75466. DOI: 10.1002/smll.75466.）。
此外，该模块还可在以下研究方向进一步发挥支撑作用，包括但不限于：
1. 光催化分解水制氢
在光催化分解水过程中，催化剂表面的价态变化、氧空位生成与湮灭、表面羟基演化等，直接决定产氢效率与稳定性。XPS设备的原位光照模块可实时追踪光照下催化剂表面价态的动态变化，揭示光生电子捕获与表面活性位点演化的关联，为高效产氢催化剂的设计提供表面科学依据。
2. 光催化CO₂还原
CO₂还原涉及多电子转移与复杂中间体，催化剂表面价态与吸附物种的动态变化是关键。XPS设备的原位光照模块可监测光照下金属活性位点的价态演变、吸附氧与碳物种的消长，帮助厘清光生载流子分离与CO₂活化之间的表面化学关联，为高选择性催化剂开发提供支撑。
3. 光催化降解污染物
在光催化降解有机污染物过程中，表面吸附氧、羟基自由基与有机物种的竞争吸附与转化是核心环节。XPS设备的原位光照模块可实时追踪O 1s中吸附氧、羟基氧与碳氧物种的消长，揭示光催化氧化过程的表面反应路径，为高效降解材料的设计与评价提供依据。
4. 光电材料与钙钛矿界面调控
TiO₂/Sn-Pb钙钛矿界面、电子传输层/光吸收层界面等在光照下的化学态演变，直接影响器件效率与稳定性。XPS设备的原位光照模块可实时监测界面处Ti、Sn、Pb、I等元素的价态变化与氧物种迁移，为界面工程与器件优化提供直接实验证据。
5. 光致缺陷工程与材料改性
光照诱导的氧空位等缺陷态，是调控半导体材料光电性能的重要手段。XPS设备的原位光照模块可定量追踪缺陷态随光照时间、波长的演化规律，为光致缺陷工程的精准调控提供实时反馈，推动“光照改性”从经验走向定量。
6. 金属氧化物与二维材料的光致表面演化
除TiO₂外，ZnO、WO₃、BiVO₄等金属氧化物，以及g-C₃N₄、MoS₂等二维材料，在光照下的表面化学态演化同样关键。XPS设备的原位光照模块可推广至上述材料体系，揭示不同半导体材料光致表面演化的共性规律与差异机制。
展望未来，分析测试中心将持续拓展原位光照模块在光催化、光电材料、能源环境等领域的应用。中心将以原位动态表征能力建设为抓手，推动XPS设备从“静态分析工具”向“动态机理研究平台”升级，为学校光催化与能源材料研究提供更有力的表征支撑，助力学校高水平科技自立自强。
作者单位：分析测试中心
撰 稿：周芃
审 核：丁雨葵
