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【Adv. Mater.】提升 300%，空间限制新策略处提升光生载流子寿命，加速光催化反应的动力学 ​

简介 ​

本文提出了一种新策略，通过在不同热力学条件下生长金红石二氧化钛 (TiO 2) 薄膜，实现了氧空位 (VO) 在同质界面的空间限制。这种方法显著提高了光载流子的寿命和光吸收率。

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摘要 ​

研究提出了一种通过顺序生长金红石二氧化钛 (TiO 2) 薄膜以实现氧空位 (VO) 在同质界面内空间限制的新策略。实验结果表明，通过在高质量的金红石 TiO 2 外延薄膜 (H-TiO 2) 上低压和低温条件下生长 TiO 2 薄膜 (L-TiO 2)，尽管单层 L-TiO 2 和 H-TiO 2 的绝缘性，但却观察到了高载流子密度和高电子迁移率的金属行为。多种表征手段揭示了 VO 层在界面内被几何限制在 4 个晶胞内，这种 2 D VO 层通过触发带隙能态促进了光载流子的寿命（提高约 300%）和光吸收。研究结果提出了一种本地限制功能性缺陷的合成策略，并强调了限制缺陷中的带隙能态如何影响光催化反应的动力学。 image.png

研究结果与讨论 ​

2 D 导电 L-TiO 2/H-TiO 2 金红石双层 ​

通过脉冲激光沉积法在不同的生长温度和氧气压力下生长 TiO 2 单层，获得了不同结构和性质的 TiO 2 薄膜。高分辨率透射电镜 (HAADF-STEM) 成像显示，L-TiO 2/H-TiO 2 双层界面处的原子结构完美匹配，而可见光吸收谱表明双层在可见光范围内的吸收增强。L-TiO 2/H-TiO 2 双层的片电阻 (Rs) 随温度的变化表明其具有金属行为，高载流子密度 (n 2 D) 和电子迁移率 (μe) 的增强则证实了界面 VO 的影响。

L-TiO 2/H-TiO 2 金红石界面的原子尺度氧空位限制 ​

利用扫描透射电镜 (STEM) 技术，分析了 L-TiO 2/H-TiO 2 双层界面的原子结构。低角度环形暗场成像显示，界面处存在显著的亮度对比，几何相位分析表明存在晶格膨胀现象，这些都是氧空位 (V_O) 的典型特征。电子能量损失光谱 (EELS) 进一步证明了在 L-TiO 2/H-TiO 2 界面处存在几何限制的氧空位 (V_O)，并解释了其化学起源和对晶格结构的影响。

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在 L-TiO 2/H-TiO 2 双层中增强的光载流子寿命 ​

使用超快时间分辨太赫兹光谱 (T-Hz) 技术，研究了双层中限制的 VO 对光载流子动力学的影响。实验结果显示，与 H-TiO 2 单层相比，L-TiO 2/H-TiO 2 双层中的光载流子寿命延长了约 300%。通过光电流的调控，进一步分析了双层设计对光催化性能的影响。

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L-TiO 2/H-TiO 2 双层中的光电化学 (PEC) 活动的促进 ​

通过电化学阻抗谱 (EIS) 分析表明，L-TiO 2/H-TiO 2 双层的电荷转移阻力显著降低，PEC 性能显著提升。研究结果表明，限制的 VO 层提高了电学性能 (如载流子浓度和迁移率)、光载流子寿命以及 PEC 性能。

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结论 ​

本文通过在不同热力学条件下生长金红石 TiO 2 薄膜，实现了在同质界面内几何限制氧空位 (V_O) 的 2 D 导电界面。研究发现，这种合成方法通过增加载流子密度和电子迁移率，显著提高了光载流子的寿命和光吸收能力，从而增强了 PEC 性能。研究结果提出了一种新的限制功能性缺陷的合成策略，并强调了限制缺陷中的带隙能态在光催化反应动力学中的重要作用。

参考文献 ​

Yoon, M.; Park, Y.; Sim, H.; Kwon, H. R.; Lee, Y.; Jang, H. W.; Choi, S.; Son, J. 2D Vacancy Confinement in Anatase TiO2 for Enhanced Photocatalytic Activities. Advanced Materials 2025, 2413062. https://doi.org/10.1002/adma.202413062.