在新能源领域，利用太阳能光电化学氧化水已经成为研究的热点。水氧化过程是涉及四个质子和四个电子转移的复杂过程。已有的α-Fe₂O₃表面水氧化机理研究大都关注电子转移动力学及其物理化学参数的表征，而对质子的转移或者质子耦合的电子转移研究还未见报道。在质子耦合电荷转移（proton-coupled electron transfer, PCET）机理中，质子与电子的协同转移可以避免高能中间体的产生，对降低整个反应的动力学能垒和加快反应速率起到关键的作用，因此重点研究α-Fe₂O₃表面进行质子耦合电子转移机理十分必要。

        首先我们重点关注α-Fe₂O₃表面水氧化过程中质子转移的动力学效应，利用动力学同位素效应和电化学阻抗谱实验揭示了在低pH下α-Fe₂O₃表面水氧化的过程是耦合的质子电子转移过程，决速步骤中包含O-H键的断裂，水作为质子受体，其较弱的接受质子的能力是导致光电活性差的主要原因，因此可以通过加入更强的质子受体来增加光电活性。因此我们在这个体系中加入更强的质子受体——缓冲盐来提高α-Fe₂O₃在低pH条件下光电化学氧化水的活性，显示了很好的效果，从原理和实验上实现了对α-Fe₂O₃光电水氧化过程的调控。进一步，研究了O-O键形成过程，我们结合了基于电化学阻抗谱的反应级数分析和原位光电化学红外光谱来探索水氧化中O-O键形成的机理。我们发现光电化学水氧化过程中溶液的酸碱性对反应机理有重要的影响。在近中性条件下，反应级数分析显示表面捕获空穴的反应级数是1，并且在红外光谱中检测到超氧中间体，这些证据表明O-O键通过H₂O分子亲核进攻表面空穴形成。然而，在碱性条件下，表面捕获空穴的反应级数增加到2，并伴随着超氧中间体在红外检测中的消失，表明O-O键通过表面捕获态空穴耦合形成。当溶液的pH从中性向碱性过渡时，我们观察到了反应机理从亲核进攻向空穴耦合的转变。这一发现揭示了半导体表面质子化状态对于水氧化的反应动力学以及O-O键形成反应机理的决定性作用。相关研究结果发表在J. Am. Chem. Soc.（2016, 138, 2705–2711）、J. Am. Chem. Soc.（2018, 140, 3264-3269）上。