1. Phân ly trực tiếp và hấp phụ các phân tử nước
Trên các vị trí kim loại chưa bão hòa của oxit kim loại hoặc oxit bán dẫn (như Ti4+, Fe3+), các phân tử nước đầu tiên hấp phụ ở dạng phân tử, sau đó là sự phân tách liên kết O-H, tạo ra các nhóm hydroxyl cầu hoặc cuối (M-OH) và các nguyên tử hydro bề mặt. Động lực nhiệt động của quá trình này đến từ tính axit Lewis mạnh của các ion kim loại, khiến các phân tử nước dễ phân ly. Cả thí nghiệm và tính toán DFT đều chỉ ra rằng các bề mặt được bao phủ bởi lượng oxy thấp có xu hướng phân ly và hấp phụ, trong khi các bề mặt được bao phủ bởi lượng oxy cao có xu hướng hấp thụ các phân tử.
2. Tạo hydroxyl qua trung gian chỗ trống oxy (VO)
Các chỗ trống oxy trên bề mặt cung cấp các electron, làm cho các phân tử nước bị hấp phụ dễ bị phân ly hơn. Sau khi các phân tử nước hấp phụ ở chỗ trống, hai nhóm hydroxyl được tạo ra, một nhóm lấp đầy chỗ trống và nhóm còn lại treo trên kim loại liền kề. Cơ chế này giải thích hiện tượng mật độ hydroxyl tăng đáng kể trong điều kiện khử hoặc nhiệt độ cao và có liên quan chặt chẽ đến sự thay đổi số phối trí của các ion kim loại.
3. Tràn nguyên tử hydro hoặc hydro
Ở bề mặt kim loại/oxit, H2 phân ly trên kim loại tạo thành H ⁺/H ⁻, sau đó di chuyển lên bề mặt oxit kim loại thông qua sự tràn hydro và tạo thành các nhóm hydroxyl với oxy bề mặt. Quá trình này được quan sát trực tiếp trong các hệ thống xúc tác như quá trình oxy hóa CO ở nhiệt độ thấp và sự tràn hydro làm tăng đáng kể tốc độ tạo nhóm hydroxyl bề mặt.
4. Sự hình thành hydroxyl do quang xúc tác/UV gây ra
Tia UV kích thích các chất bán dẫn như TiO2 tạo ra các cặp lỗ electron, chúng bắt giữ các nguyên tử oxy trên bề mặt để tạo thành O ⁻, sau đó phản ứng với các phân tử nước hoặc nhóm hydroxyl bị hấp phụ để tạo ra OH ⁻ bề mặt, kèm theo đó là sản sinh ra các gốc hydroxyl (· OH). Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng chiếu xạ tia cực tím tạo ra thêm các chỗ trống oxy trên bề mặt TiO2, chúng tiếp tục phản ứng với nước để tạo ra nhiều nhóm hydroxyl hơn, dẫn đến tính siêu ưa nước do quang học gây ra.
5. Sự hình thành nhóm hydroxyl trên bề mặt nhôm oxit
Một lượng nhỏ nhóm hydroxyl tồn tại tự nhiên trên bề mặt oxit nhôm và các phân tử nước phân ly và hấp phụ trên các nhóm hydroxyl này, tạo ra Al-OH mới. Trong quá trình lắng đọng lớp nguyên tử (ALD), TMA (trimethylaluminum) trải qua quá trình trao đổi phối hợp với các nhóm hydroxyl bề mặt để hình thành liên kết Al-O-Al và giải phóng khí metan; Sau đó, xung nước phản ứng lại với liên kết Al-O để tái tạo các nhóm hydroxyl bề mặt, đạt được sự tái sinh theo chu kỳ của các nhóm hydroxyl.
6. Tái tạo bề mặt - Sự di chuyển kim loại dẫn đến sự kết tụ hydroxyl
Trên bề mặt tinh thể của alumina hoặc oxit titan, các ion kim loại cục bộ (như Al3+) di chuyển đến các chỗ trống trên bề mặt dưới nhiệt độ cao hoặc thế năng thủy hóa cao, tạo thành các cụm hydroxyl loại Al (OH) 3 hoặc Ti (OH) 3. Sự tái tạo này đi kèm với sự biến dạng mạng, khiến cho sự hấp phụ của các nhóm hydroxyl trên các phân tử nước lân cận trở nên thuận lợi hơn, tạo thành lớp bazơ hydroxyl mật độ cao.
7. Cơ chế thủy phân nhóm hydroxyl trên bề mặt silicon
Tại liên kết cầu Si-O-Si, các phân tử nước kết hợp với liên kết oxy silicon thông qua sự chuyển điện tử proton tổng hợp, tạo thành các nhóm Si-OH. Quá trình này đặc biệt quan trọng trong việc ăn mòn ứng suất ở đầu vết nứt và quá trình thủy phân bề mặt của thủy tinh, đồng thời việc tăng cường độ rung kéo Si-OH được quan sát trực tiếp bằng quang phổ hồng ngoại thực nghiệm.
