关于带隙可调Cs?Ti(Cl???Br?)的先进数值研究：为高效太阳能应用提供关键见解

《Materials Science and Engineering: B》：Advanced Numerical Insights into Bandgap-Tuned Cs?Ti(Cl???Br?) 6 for High-Efficiency Solar Applications

W掺杂 Brookite TiO? 纳米颗粒通过水热法制备，优化掺杂量（5%）显著提升MB降解效率（>91%）和产氢性能，同时引起晶型转变及粒径减小，增强载流子分离。

　　近年来，随着全球对能源短缺和环境污染问题的关注不断加深，光催化技术因其低能耗、环境友好、可回收性、工艺简单以及温和的操作条件等优势，被广泛认为是解决这些问题的有前景的方法之一。自1972年发现二氧化钛（TiO?）的光催化特性以来，这一领域已经取得了显著进展。TiO?因其良好的光化学稳定性、高活性和无毒特性，成为光催化研究中最受关注的材料之一，广泛应用于有机污染物降解、氢气生成和二氧化碳还原等领域。然而，TiO?在实际应用中仍存在一些局限性，如较大的禁带宽度（通常在3.0 eV到3.4 eV之间）以及光生电子-空穴对的低寿命，这些因素限制了其在光催化反应中的效率。

为克服上述问题，研究人员采用了多种策略来提升TiO?的光催化性能，包括调控晶体面暴露、改变形貌、掺杂阳离子或阴离子，以及与其他半导体材料复合等。其中，掺杂是一种有效且广泛应用的方法。通过在TiO?中引入不同元素，可以改变其电子结构和能带特性，从而增强光吸收能力、促进光生载流子的分离与传输，降低电子-空穴对的复合概率。例如，Au掺杂的TiO?在甲基橙（MO）的光降解和氢气生成方面表现出优异的性能，而氮掺杂的TiO?纳米管则在光降解甲基橙和氢气生成方面取得了显著成果。这些研究为TiO?的改性提供了重要参考。

在TiO?的三种主要晶型中，包括锐钛矿、金红石和布罗克特（brookite），其中布罗克特晶型由于其热力学不稳定性和制备单相材料的困难，研究相对较少。然而，近年来对布罗克特TiO?的研究逐渐增多，显示出其在光催化领域的独特潜力。与锐钛矿和金红石相比，布罗克特TiO?具有更优的电子陷阱深度（约0.4 eV），这一特性有助于延长载流子寿命，同时保持其反应活性。此外，布罗克特TiO?还表现出良好的电荷分离能力、缓慢的衰减速率以及较强的•OH自由基生成能力，这些特性使其在光催化反应中具有较高的效率。因此，布罗克特TiO?被视为光催化领域的重要候选材料之一。

鉴于布罗克特TiO?在光催化中的优异性能，研究者们尝试通过多种方法对其进行改性，以进一步提升其催化效率。其中，金属掺杂是一种有效手段，尤其过渡金属掺杂因其简便性、高效性和广泛适用性而受到青睐。例如，铁掺杂的布罗克特TiO?纳米棒在甲醇水蒸气重整反应中表现出显著的氢气生成能力，其产率比原始TiO?纳米棒提高了约2.5倍。而钨（W）作为一种具有多种氧化态（2+、3+、4+、5+、6+）的元素，其独特的电子配置使其在光催化反应中展现出良好的载流子存储能力以及促进载流子分离和传输的潜力。因此，钨掺杂逐渐成为提升TiO?光催化性能的重要研究方向。

尽管钨掺杂在提升TiO?光催化性能方面具有显著优势，但目前针对钨掺杂布罗克特TiO?的研究仍较为有限。因此，本研究旨在通过一步水热法合成不同钨掺杂量的布罗克特TiO?纳米颗粒（W/b-TiO? NPs），并系统研究其相形成机制和光催化性能。我们选择不同重量百分比的钨（1%、3%、5%、7%、10%）进行掺杂，并通过XRD、拉曼光谱、场发射扫描电镜（FESEM）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、比表面积（BET）和紫外-可见漫反射光谱（UV–vis DRS）等手段对合成样品的晶体结构、形貌和表面电子特性进行分析。此外，我们还评估了钨掺杂对布罗克特TiO?在甲基蓝（MB）光降解和氢气生成中的影响，以探索其在实际应用中的潜力。

甲基蓝（MB）作为一种典型的有机染料污染物，因其对环境的严重危害而受到广泛关注。MB具有稳定的结构和较强的吸附能力，因此在废水处理中是一个重要的研究对象。通过研究MB在光照射下的降解过程，不仅可以深入了解光催化反应的机理，还能够为光催化技术在实际废水处理中的应用提供理论支持和实践指导。此外，MB的结构中含有苯环和芳香基团，这使得其在光催化降解过程中具有一定的代表性，有助于评估不同光催化剂对复杂有机污染物的处理能力。

本研究中，我们采用了一步水热法合成W/b-TiO? NPs。该方法具有操作简便、成本低廉和环境友好的特点，能够有效控制材料的形貌和结构。在实验过程中，我们通过调整钨的掺杂量，观察其对布罗克特TiO?晶体结构和形貌的影响。结果表明，随着钨掺杂量的增加，布罗克特TiO?的晶相发生了变化，部分区域出现了锐钛矿相的形成。同时，纳米颗粒的尺寸也随着钨掺杂量的增加而减小，这可能是由于局部晶格畸变和原子空位的产生所致。这些变化对材料的光催化性能产生了重要影响。

进一步的光催化性能测试表明，5% W/b-TiO? NPs在MB的光降解过程中表现出最佳的催化效果。其比表面积较大，有助于提高光催化反应的接触面积，从而增强反应效率。此外，5% W/b-TiO? NPs在光生载流子的分离和传输方面具有更高的效率，这可能是由于钨的引入改变了TiO?的电子结构，促进了电子-空穴对的有效分离。在UV照射120分钟后，MB的降解率超过了91%，显示出优异的光催化性能。相比之下，其他掺杂量的样品在光催化性能上表现较弱，这表明5%的钨掺杂量是优化的。

除了MB的光降解，我们还评估了W/b-TiO? NPs在氢气生成方面的表现。氢气作为清洁能源，其制备技术受到广泛关注。通过光催化水裂解反应，我们可以利用光能将水分解为氢气和氧气。这一过程需要高效的光催化剂来促进电子-空穴对的分离和迁移，以提高反应效率。在本研究中，我们发现5% W/b-TiO? NPs在氢气生成方面也表现出优异的性能，其产率显著高于其他样品。这一结果表明，钨掺杂不仅提高了布罗克特TiO?在MB降解中的表现，还对其在氢气生成中的应用具有积极影响。

从实验结果来看，钨掺杂对布罗克特TiO?的相形成和光催化性能具有显著的调控作用。通过引入适量的钨，我们不仅能够促进布罗克特TiO?向锐钛矿相的转变，还能够优化其电子结构，从而提升其光催化性能。这一发现为未来开发高效、稳定的光催化剂提供了新的思路和方法。同时，我们还发现，钨掺杂量的增加虽然在一定程度上提高了光催化效率，但过高的掺杂量可能导致材料结构的不稳定，进而影响其性能。因此，找到合适的掺杂量是提升光催化性能的关键。

综上所述，本研究通过一步水热法成功合成了不同钨掺杂量的布罗克特TiO?纳米颗粒，并系统研究了其相形成机制和光催化性能。实验结果表明，5%的钨掺杂量能够显著提升布罗克特TiO?在MB光降解和氢气生成中的表现。这一研究不仅拓展了钨掺杂在光催化领域的应用，还为开发新型高效光催化剂提供了理论依据和实验支持。未来的研究可以进一步探索不同掺杂元素对布罗克特TiO?性能的影响，以及如何通过调控掺杂量和材料结构来优化其光催化性能。此外，还可以研究这些材料在其他污染物降解和能源转换中的应用，以拓展其在环境和能源领域的潜力。