中國科大合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室單分子科學研究團隊，在最新研究中揭示了銳鈦礦結構的二氧化鈦表面催化活性和微觀反應機理。相關成果日前發(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。針對這一材料體系的研究，已成為國際上新能源材料領域的熱點方向，尋找新的催化材料和高效的能量轉(zhuǎn)換機理更是研究的重點。
二氧化鈦的銳鈦礦結構和金紅石結構，是兩種得到廣泛研究的晶體結構。其中，由于金紅石結構穩(wěn)定、易于單晶生長，過去的研究主要針對二氧化鈦的金紅石結構。相較而言，銳鈦礦結構的二氧化鈦穩(wěn)定性低，直覺判斷其化學活性應該比金紅石結構高，有許多理論計算也支持這一觀點。特別是理論預言銳鈦礦結構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，很多材料學家致力于合成富含(001)面的銳鈦礦結構的二氧化鈦納米晶，并研究其光催化性質(zhì)，但實驗得到的光催化效率與理論預言存在很大差異。
針對這一問題，此次研究人員采用脈沖激光沉積技術，制備了高質(zhì)量的銳鈦礦結構(001)表面的二氧化鈦，并清晰地揭示了該表面的結構和化學反應活性。同時，結合相關理論計算和分析，提出了新的表面結構模型，澄清了這一表面缺陷結構及化學反應活性的長期爭論。
研究表明，銳鈦礦結構二氧化鈦的(001)再構表面表現(xiàn)為完全氧化的形式，糾正了過去關于該表面為部分氧化的結構模型；由于表面部分氧缺失所形成的點缺陷位置，即由于失去氧原子后暴露在表面的鈦原子位置，才表現(xiàn)出較高的反應活性。該發(fā)現(xiàn)為進一步設計和提高二氧化鈦的催化活性及研究光化學反應提供了極有價值的信息。