清华大学化学系李亚栋

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金属锂还原调节氧化物缺陷结构

氧化物材料的缺陷结构对其物理和化学性质有重要影响，合理的调控其缺陷结构可以显著优化其性能。缺陷调控是一种调整金属氧化物电子结构的有效策略，在诸多领域中有至关重要的应用。因此，缺陷调控已成为材料科学领域的一大研究热点。目前，研究者已经开发出多种在氧化物材料中引入缺陷的方法，如高温还原法（H2，Mg，Al）、等离子体和激光处理法等，这些方法往往涉及高温、高压、长时间的热处理，这样的处理方式会对纳米氧化物材料的晶体结构、形貌和性能带来诸多不利影响，同时，上述方法均存在缺陷含量难以调控的不足，因此，在室温下实现对氧化物材料的缺陷调控仍然是一个具有挑战性问题。

近日，在清华大学李亚栋院士、伍晖副教授和北京航空航天大学刘利民教授的带领下，研究人员与北京计算科学研究中心，中国科学院物理研究所和北京航空航天大学合作，开发了一种简便易行的金属锂研磨还原方法，控制氧化物材料的氧空位缺陷。在常温常压下，通过将锂与金属氧化物纳米颗粒充分研磨，制备出了缺陷含量可调的多种富缺陷氧化物材料，包括缺陷的二氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）、二氧化锡（SnO2）和二氧化铈（CeO2）等。该方法具有条件温和、操作简单、快速高效、缺陷含量可控及易于规模化量产等优点。作为潜在的应用，相关人员探讨了该缺陷TiO2材料的光催化析氢性能。在一个太阳光强度的照射下，析氢速率高达41.8 mmol g-1 h-1，这比原始TiO2纳米粒子高出约3倍。这种现象的原因主要是缺陷TiO2材料具有增强的光吸收，改善的电导率，表面无序层，引入的氧空位以及伴生的Ti3+。此外，可以在缺陷TiO2纳米颗粒的晶体-无定形界面处实现金属导电，增强TiO2的表面电子传输性质。另一个重要因素是植入的氧空位和表面障碍，可以充当电子给体，改善电荷传输并使费米能级向导带移动，促进电荷分离并改善UV区域中入射光子对电流效率（IPCE）。最后，有缺陷的TiO2中产生的Ti3+可以减少光生电子-空穴对的复合，从而提高锂还原TiO2的光催化活性纳米颗粒。相关成果题为“Tuning defects in oxides at room temperature by lithium reduction”发表在Nat. Commun.上，第一作者为清华大学博士后欧刚、硕士研究生许于帅和北京计算科学研究中心博士研究生闻波。