Small Methods:基于火焰合成方法制备在表层、晶界、体相中具有可调控氧空位的蓝色二氧化钛

含缺陷的半导体材料作为高效的催化剂,已被广泛的应用于能量转换和能量储存的领域中。尤其在太阳能向化学能的转换中(例如,光催化水分解,二氧化碳还原,氮固定以及染料敏化太阳能电池等方面),这些材料展现出很具有应用前景的活性。缺陷的调控被认为是改变半导体材料的表面化学性质,电子能带结构以及电荷传导的有效方法。材料中的缺陷可以改变原子的配位环境,并产生空位能级,改变材料的吸光,电荷分离等性质,从而影响材料的催化性能。通过表征的手段对材料的缺陷性质进行深入的研究,是揭露并理解材料“结构和活性”关系的重要途径,从而有助于改善材料的催化性能。

近日,新加坡南洋理工大学徐蓉教授课题组基于火焰合成的方法,制备了缺陷可控的二氧化钛 纳米颗粒(直径 10-20 nm),实现了缺陷位置和含量均可控的一步合成,该方法可扩展到其他含缺陷的还原性金属氧化物的制备。相比于其他的合成方法,火焰合成具有高效率,废物少,操作简单,无需后续处理等优点。其中,火焰稳定在旋转表面的合成方法 (FSRS) 更是具有温度梯度大,滞留时间短,能精确调控材料性能的优势。通过对沉积(氧化)时间的控制,二氧化钛的氧空位 (OVs) 含量及位置得到了有效调控。此外,此项工作首次提出使用程序升温氧化的方法 (TPO),实现对不同位置(颗粒表层,次表层,晶界,体相)氧空位含量的精确测量,该方法可扩展到对其他含缺陷材料的表征。此项工作还研究了缺陷对二氧化钛光学性能,电荷分离能力以及光催化水分解性能的影响。研究发现,适度含量的缺陷以及较多的晶界氧空位能提高电荷分离效率,有助于贵金属助催化剂的还原和负载,从而提升水分解产氢的性能。这篇文章对绿色功能材料的合成,缺陷调控及其表征方法提供了新思路,为更好的设计高性能的催化材料奠定了基础。相关论文在线发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.202000928) 上。