当今世界面临着传统能源的储量减少、温室气体增加、环境污染等严峻挑战,因此寻找能高效产生清洁能源、还原二氧化碳、净化污染物的催化剂是科研人员的重要目标。自1972年日本科学家A.Fujishima和K.Honda发现TiO2在紫外光的作用下能将水分解为氢气以来,TiO2材料在光解水制氢、光催化降解有机污染物、将二氧化碳还原为有机物等领域的应用潜力受到了广泛的关注。TiO2材料中的锐钛矿晶相被普遍认为具有较高的催化活性。但在表面科学领域,由于锐钛矿型TiO2单晶难以获得,对锐钛矿型TiO2的研究相对较少。因此,研究甲醇分子在锐钛矿型TiO2表面的吸附行为和催化反应的过程有重要意义。扫描隧道显微镜(STM)在表征薄膜表面的结构、缺陷和吸附行为时具有高空间分辨率的优点,但缺乏化学分辨能力。为了弥补这个不足,本文作者在研究生学习期间搭建了一台利用程序升温脱附(TPD)技术研究表面吸附行为和化学反应的设备。我们实验室利用脉冲激光沉积(PLD)的方法生长出了高质量的锐钛矿型TiO2(001)薄膜,本文将介绍我们利用STM和TPD的方法对甲醇分子在该薄膜表面的吸附行为和催化反应进行的研究。本文的第1章简要的介绍了TiO2材料,包括TiO2材料的金红石、锐钛矿、板钛矿三种晶相的结构、性质和应用价值,研究锐钛矿型TiO2材料的重要性,并回顾了锐钛矿型TiO2材料在表面科学领域的研究进展和前人对于锐钛矿型TiO2(001)薄膜的制备经验等已有的研究成果。第2章主要介绍了我们在实验中所用的表征方法的工作原理和仪器结构,包括制备锐钛矿型TiO2(001)薄膜的PLD系统,表征薄膜表面的结构、缺陷和吸附行为的STM,研究薄膜表面的吸附行为和化学反应的TPD技术。这一章还介绍了我们实验室自行搭建的TPD-STM设备的仪器结构、控制程序和我们在传统仪器的基础上所做的改进。第3章主要介绍了锐钛矿型TiO2(001)薄膜的制备过程,该薄膜表面的重构结构和两种缺陷的结构,以及甲醇在该薄膜表面的吸附和分解行为。新鲜制备的锐钛矿型TiO2(001)薄膜表面只含有暗点缺陷,甲醇在这个表面上不发生分解。经过Ar+刻蚀处理后的还原性表面会出现亮点缺陷,甲醇在这种缺陷的作用下会被分解为甲基。经过在氧气氛围中退火的处理后,表面会出现另一种新的缺陷,实验结果显示处理后的氧化性表面的新缺陷能将甲醇分解为甲氧基。第4章主要介绍了锐钛矿型TiO2(001)表面上发生的光催化反应,包括两种:一种是在氧化性表面的缺陷上发生的甲氧基的光催化反应,高活性的甲氧基在弱紫外光的作用下就能被分解为甲醛;另一种是分子态吸附的甲醇在强紫外光的作用下,经过两步脱氢反应分解为甲醛,甲醇在as-grown表面、还原性表面、再氧化表面上都能发生这种分解,因此这种分解是吸附在非缺陷位的甲醇分子所发生的光催化反应。通过测量第二种光催化反应的各种产物,我们认为该反应第一步脱氢的速率远大于第二步。