普林斯顿大学Nat. Mater.：在高压氢还原过程中，二氧化钛的结构演变

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TiO2可以应用到光催化，光伏电池和半导体等领域。因此，近年来对，生产具有改进性能的还原TiO2的方法相当有意义。其中黑色TiO2是一种能够吸收整个可见光谱的材料，具有很强的光催化H2从水中释放的活性。黑色TiO2通常是通过将纳米粒子纳米粒子，暴露在20 bar的H2气氛中生产。所得到的还原纳米颗粒包含结晶TiO2核和无序壳，但是其化学组成和原子结构尚未详细建立。另外黑色TiO2纳米粒子的光催化活性与其表面上形成无定形层之间直接联系也需要进一步研究。本文采用经典的反作用力场（ReAXFF）分子，动力学模拟的第一原理密度泛函理论（DFT）计算验证，获得了锐钛矿型TiO2的高温高压氢化的直接、原子的观点和所得材料的结构。

近日，美国普林斯顿大学的Sencer Selcuk和Annabella Selloni作者等人发现，虽然在紫外光下，氧化钛（TiO2）具有优异光催化性能，但是如何将其光活性扩展到可见光谱部分一直是一个研究课题。现在常用的一种方法是高压和高温氢化，其导致具有结晶核和吸收可见光的无序壳的“黑色TiO2”纳米颗粒减少。作者利用锐钛矿TiO2表面和纳米粒子，在高温和高氢压下的第一原理验证反应力场分子动力学模拟，阐明了黑色TiO2的形成机理和结构特征。模拟结果显示，在H2与表面氧原子反应时，产生的表面氧空位向材料内部扩散，但在纳米粒子的{001}面上遇到高表面迁移的屏障，这引发表面无序化。除了确认氢化无定形壳在黑色TiO2的光活性中起关键作用外，这项研究成果还提供了在光催化水分解条件下，在常规锐钛矿纳米晶体上观察到的无序表面层的性质的见解。相关成果以“Structural evolution of titanium dioxide during reduction in high-pressure hydrogen”为题发表在Nature Materials上。