Small Structures:在锐钛矿{001}高能晶面上选择性生长具有高密度{101}孪晶界的纳米片结构层

富含孪晶界的纳米晶体具有独特的物理和化学性能,但可控合成具有高密度孪晶界的纳米晶体极具挑战性。目前报道的用于合成具有孪晶界纳米晶体的湿化学、物理/化学气相沉积及激光烧蚀等方法过程复杂且难于得到富含孪晶界的纳米晶体。因此,发展简捷、有效方法合成具有高密度孪晶界的纳米晶体对该类晶体的基础及应用研究意义重大。

澳大利亚格里菲斯大学清洁环境与能源中心赵惠军教授团队利用水热条件下添加氮化钛触发晶体外延生长机制发展了一种简捷水热合成方法成功实现了在锐钛矿{001}高能晶面上选择性生长具有高密度{101}孪晶界的纳米片阵列外延层。相关结果发表在Small Structures(DOI:10.1002/sstr.202000025)上。

作为功能材料,二氧化钛被广泛用于很多领域,特别是其在光催化领域的应用备受重视。已报道的研究结果显示该类材料的光催化性能与其晶相及暴露晶面密切相关,可以通过控制生长具有高能暴露晶面晶体提高其催化活性。虽然利用孪晶界提高催化活性的设想已有报道,但由于无法控制孪晶界在晶体中的分布,特别是非常低的孪晶界密度,使得确认孪晶界结构及其对催化活性促进机制异常困难。该工作报道的水热条件下添加氮化钛触发晶体外延生长法可于在锐钛矿{001}高能晶面上合成富含{101}孪晶界的独特纳米片阵列外延层。有别于已报道的金红石{101},金红石{301}及锐钛矿{112}孪晶界,该团队对晶体生长过程研究的结果表明所得到的外延层是由{101}孪晶界与{001}晶面连接的纳米片阵列组成。理论计算显示这种新型{101}孪晶界能带结构具有比{001}高能面更正的价带,与无孪晶界锐钛矿单晶相比,这种表面同质节更有利于光生空穴和电子的分离及光生空穴在高密度{101}孪晶界表面富集,从而提高光催化氧化性能。该研究提供了一个简捷合成富含孪晶界纳米晶体的范例,对发展其它孪晶晶体具有启示作用。