二氧化钛的光催化性质，使其在光解水制氢、有机污染物降解、一氧化碳低温氧化等领域得到了广泛的关注。分子氧，作为电子的“清道夫”，在二氧化钛表面的催化反应中扮演了重要的角色。侯建国、王兵教授研究组利用原位的高分辨扫描隧道显微镜技术，系统的研究了分子氧在二氧化钛表面的吸附行为，解决的这一领域中关于氧的存在形式及化学活性的长期争论。相关工作发表在J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 2002-2009。
　　近年来，该研究组围绕着一氧化碳在二氧化钛表面低温催化氧化的相关科学问题，开展了一系列的研究工作。首先是在分子尺度上首次澄清的一氧化碳在二氧化钛表面的最优吸附位是Ti5c原子位，而非氧空位缺陷，并证实了一氧化碳在距离氧空位不同位置的Ti5c原子位上的吸附遵循玻尔兹曼分布规律（J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 7958–7959）。其次，通过一氧化碳与氧的共吸附实验，证实了一氧化碳与原子氧相互作用后，可以形成CO-O及CO-O-CO这两种稳定的复合物，并指出了原子氧在一氧化碳的低温氧化中并不具备催化活性，这对进一步研究分子氧提出了要求（J. Phys. Chem. C 2010, 114, 18222–18227）。
　　针对分子氧在二氧化钛表面吸附行为的复杂性，研究人员在80K的低温下，利用原位跟踪和低偏压小电流的表征手段，发现了分子氧优先吸附于氧空位缺陷，在STM图象中表现为不太明显的暗点。当氧的吸附量增加，氧空位缺陷会逐渐被饱和。进一步增加氧的吸附量时，会出现两个或多个分子氧吸附于一个氧空位的吸附形式。并且多个氧分子吸附于一个氧空位的吸附状态会很稳定，而单个吸附的氧分子会很容易被针尖的隧穿电子分解。通过仔细研究电子诱导的氧分子分解的过程，发现处于平衡吸附状态的分子氧在隧穿电子的激发下开始振动，I-t谱（电流-时间谱）直接给出了振动频率随偏压的变化。振动的状态是氧分子分解过程的中间状态，STM图像上也直接观察到在快速振动下的氧分子在空位的两侧形成对称的亮点。在经过这个中间状态以后，分子氧会最终被电子激发分解，其中一个氧原子填入氧空位缺陷，另一个氧原子吸附于近邻的Ti5c原子上。分子氧分解率与偏压关系的统计数据表明，氧分解的阈值偏压为0.6V，且在2.2V以上就会全部分解。进一步研究分子氧与表面羟基缺陷的相互作用，发现氧分子会与羟基形成稳定的OH-O2的复合物。这些结果不仅清楚的阐明了分子氧与表面氧空位缺陷及羟基缺陷相互作用的行为，并对进一步研究二氧化钛表面的催化氧化反应具有重要的意义。
　　同时该研究组在二氧化钛表面光催化相关领域也取得了一定的进展。基于甲醇可以增加水的光催化分解效率的相关机制问题，研究组首先研究了甲醇在二氧化钛表面的吸附行为，并首次利用激光辅助的原位STM表征手段，成功实现了在单分子尺度观察甲醇分子的光催化分解行为。证实了在紫外光的作用下，甲醇通过CH3O-H键断裂而分解，相关结果与大连化物所的研究人员合作发表在Chemical Science, 2010, 1, 575-580，并被Science杂志点评为亮点文章（http://www.sciencemag.org/content/330/6000/twil.full）。
　　相关工作受到国家重大科学研究计划、国家自然科学基金委等支持。