TiO2(110)金红石相和TiO2(101)锐钛矿相单晶激发极化子态的红外光谱测量

《Journal of the American Chemical Society》：Infrared Spectroscopic Measurements of Excited Polaronic States of TiO2(110) Rutile and TiO2(101) Anatase Single Crystals

电荷转移反应中TiO?单晶相极化子特性差异研究。通过 diffuse reflectance infrared spectroscopy 监测发现，锐钛矿（101）极化子激活能（80-100 meV）显著低于金红石（110）的300-330 meV，且单晶动力学与多晶不同，证实结构差异影响光催化活性。

　　

已知不同半导体相在电荷转移反应中的活性存在长期差异，这一现象已成为许多研究的主题，尤其是针对TiO₂的锐钛矿和金红石相（这两种研究最广泛的氧化物半导体光催化剂）。影响多晶材料中电荷转移的诸多参数包括结晶度、晶格膨胀/收缩、孔径大小以及晶体取向等，这些因素阻碍了人们对材料基本性质的深入理解，从而影响了新材料的研发。在此背景下，研究人员利用漫反射红外光谱技术，在常压条件下、300至623 K的温度范围内、在紫外光激发下，对TiO₂两种不同相（锐钛矿（101）和金红石（110）的模型单晶中的极化子进行了研究。实验发现，极化子产生的线性信号随光强度的增加而增强，其对激发电子和空穴陷阱的响应特性揭示了其极化子本质。通过分析信号强度随温度变化的情况，研究人员发现锐钛矿（101）的活化能要低得多（80–100 meV），而金红石（110）的活化能为300–330 meV，这可能与两者极化子性质的差异有关。此外，还监测了不同温度下光激发/退激发过程中信号的变化情况，结果发现温度越高，信号衰减速度越快。锐钛矿（101）的速率常数约为10^–2 s^–1，其活化能接近kT值（15 meV）。单晶中观察到的快速动力学现象与多晶半导体中的常规现象形成鲜明对比，这可能是因为单晶中不存在粒子间的电荷跳跃现象。基于这些研究结果，可以认为锐钛矿相在氢离子还原反应中的高活性与其不同的极化子性质密切相关。