中國科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室單分子科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，在最新研究中揭示了銳鈦礦結(jié)構(gòu)的二氧化鈦表面催化活性和微觀反應(yīng)機(jī)理。相關(guān)成果日前發(fā)表于《自然—通訊》雜志。
二氧化鈦是太陽能轉(zhuǎn)化研究中的重要材料體系，在光催化分解水制氫氣和人工光合作用等方面展現(xiàn)出廣闊的前景。針對(duì)這一材料體系的研究，已成為國際上新能源材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向，尋找新的催化材料和高效的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理更是研究的重點(diǎn)。
二氧化鈦的銳鈦礦結(jié)構(gòu)和金紅石結(jié)構(gòu)，是兩種得到廣泛研究的晶體結(jié)構(gòu)。其中，由于金紅石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、易于單晶生長，過去的研究主要針對(duì)二氧化鈦的金紅石結(jié)構(gòu)。相較而言，銳鈦礦結(jié)構(gòu)的二氧化鈦穩(wěn)定性低，直覺判斷其化學(xué)活性應(yīng)該比金紅石結(jié)構(gòu)高，有許多理論計(jì)算也支持這一觀點(diǎn)。特別是理論預(yù)言銳鈦礦結(jié)構(gòu)二氧化鈦的晶面指數(shù)為(001)的表面，為所有晶面中活性最高。近幾年，很多材料學(xué)家致力于合成富含(001)面的銳鈦礦結(jié)構(gòu)的二氧化鈦納米晶，并研究其光催化性質(zhì)，但實(shí)驗(yàn)得到的光催化效率與理論預(yù)言存在很大差異。
針對(duì)這一問題，此次研究人員采用脈沖激光沉積技術(shù)，制備了高質(zhì)量的銳鈦礦結(jié)構(gòu)(001)表面的二氧化鈦，并清晰地揭示了該表面的結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)活性。同時(shí)，結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算和分析，提出了新的表面結(jié)構(gòu)模型，澄清了這一表面缺陷結(jié)構(gòu)及化學(xué)反應(yīng)活性的長期爭(zhēng)論。
研究表明，銳鈦礦結(jié)構(gòu)二氧化鈦的(001)再構(gòu)表面表現(xiàn)為完全氧化的形式，糾正了過去關(guān)于該表面為部分氧化的結(jié)構(gòu)模型；由于表面部分氧缺失所形成的點(diǎn)缺陷位置，即由于失去氧原子后暴露在表面的鈦原子位置，才表現(xiàn)出較高的反應(yīng)活性。該發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和提高二氧化鈦的催化活性及研究光化學(xué)反應(yīng)提供了極有價(jià)值的信息。