Nat Commun: 变温x射线粉末衍射表征TiO2光催化剂中的氧缺陷和氮掺杂

雨辰

2021-01-28

TiO₂基粉末材料因其低成本，光响应性好，地球丰度高，化学和热稳定性好等优点而被广泛研究为高效的水分解光催化剂。特别是最近氮掺杂TiO₂的突破，在高温下结构缺陷和掺杂杂质的存在，展示了光催化活性的可见光吸收能力，从而增强了水的分解能力。尽管已经对其电子和光学性质进行了广泛的研究，但结构-活性关系和光催化机理仍然不清楚。

有鉴于此，英国牛津大学Shik Chi Edman TSANG教授等人，采用变温同步x射线粉末衍射技术对氮掺杂和未掺杂的金红石、锐钛矿和混合相(商用P25)进行了深入的结构研究。

本文要点

1）详细研究了N–TiO₂材料在可见光下的光催化活性，并利用变温度同步x射线粉末衍射(VT-SXPD)分析了结构变化。报道了锐钛矿相异常的各向异性热膨胀可以揭示表面下的氧空位，氮掺杂水平和光催化活性之间的密切关系。

2）锐钛矿c轴晶格膨胀在高温下发生了显著的变化，由于Jahn–Teller效应，导致了独特的非线性膨胀。然而，当温度超过200℃时，表面氧空位形成，晶格中C轴膨胀随之减少。

3）与无活性的金红石形态相比，锐钛矿表面三层外大量的氧空位和Ti³⁺极大地促进了光催化作用。氮的加入明显增加了亚表面氧空位的数量，使锐钛矿相稳定。对于高掺杂的锐钛矿，还确定了一种新的立方氮化钛相，该相提供了有关吸收波长的基本位移的重要信息，从而导致了使用可见光的出色光催化作用。

总之，首次提出了锐钛矿催化剂在不同温度下的结构、亚表面氧空位、氮掺杂和光催化活性之间的重要联系。

参考文献：

Foo, C., Li, Y., Lebedev, K. et al. Characterisation of oxygen defects and nitrogen impurities in TiO₂ photocatalysts using variable-temperature X-ray powder diffraction. Nat Commun 12, 661 (2021).

DOI: 10.1038/s41467-021-20977-z

https://doi.org/10.1038/s41467-021-20977-z