Journal of Energy Chemistry近日在线发表了肖湘衡教授课题组的最新研究成果。该工作证实在铬掺杂二氧化钛光阳极中引入氧空位，可以提高光生载流子的分离和转移效率，从而实现光阳极可见光分解水催化活性的急剧增加。论文题为“Oxygen vacancies enable the visible light photoactivity of chromium-implanted TiO₂ nanowires”。

尽管理论计算显示金属铬（Cr）离子掺杂二氧化钛可以有效缩小二氧化钛带隙，然而到目前为止文献报道的铬掺杂二氧化钛，其可见光分解水催化活性非常有限。文献调研分析可能的原因有以下两点：（1）常规的化学方法掺杂，很难实现将金属杂质原子引入二氧化钛晶格中，同时又能避免金属原子不发生团聚现象；（2）金属杂质的引入可能会给光生载流子的分离和转移带来不利影响，因此最终影响光电极的催化性能。

研究人员利用离子注入技术可将杂质以高分散的单原子形态引入到基底材料，进行铬离子注入二氧化钛光阳极的改性及催化活性研究。研究结果显示：虽然铬掺杂可以有效提高二氧化钛可见光吸收能力，但是掺杂光阳极的可见光催化活性依然很低。然而，后续的高温真空退火引入大量的氧空位，在活化铬掺杂二氧化钛可见光催化活性中起着决定性的作用（其Cr-TiO₂-vac可见光光电流密度达到0.53 mA/cm²，远高于未引入氧空位的铬掺杂二氧化钛Cr-TiO₂-air的0.012 mA/cm²）。实验表征和理论计算一致表明，Cr-TiO₂-vac优异的可见光催化活性可以归结于铬原子和氧空位的协同作用。其中，铬杂质通过在二氧化钛带隙中引入杂质态从而提高二氧化钛的可见光吸收能力，而氧空位充当浅施主从而增加自由载流子浓度，促进了光生载流子的分离与转移。该工作为金属原子掺杂二氧化钛光阳极中的杂质活化提供了一种简单有效的参考策略。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.07.013

                                                  通讯员：宋先印