综述：半导体缺陷的协同作用及其在电荷分离和光吸收中对太阳能驱动光催化的卓越贡献

这篇综述深入探讨了缺陷工程（Defect Engineering）在半导体光催化中的关键作用，系统分析了缺陷分类（如空位、间隙原子等）及其表征技术（XPS、XRD、TEM等），揭示了缺陷通过调控能带结构、增强可见光吸收、延长电荷分离（Charge Separation）及优化表面反应位点（Active Sites）来提升光催化效率（如H2O分解产氢）的机制，为应对能源危机（CO2减排）和环境污染提供了绿色解决方案。

　　

定义和类型缺陷

晶体材料中原子或离子的位置偏离（如空位、间隙原子、掺杂等）统称为缺陷，其通过改变能带结构和电子态密度显著影响半导体（如TiO₂、ZnO）的光物理性质。例如，氧空位（Oxygen Vacancy）在TiO₂中引入局域态，拓宽光吸收至可见光范围。

半导体光催化过程

光催化包含光吸收（Light Absorption）、电荷激发（e^--h⁺对生成）、迁移及表面反应四步。缺陷通过形成中间能级（Mid-gap States）增强低能光子（如可见光）利用，同时通过捕获电子抑制复合（Recombination）。

DFT研究缺陷对电荷分离的影响

理论计算表明，缺陷如Ti³⁺在TiO₂表面诱导电荷极化，促进e^-向反应位点迁移。氧空位还降低金属配位数，加速H⁺吸附，提升产氢效率。

水分解产氢与缺陷作用

缺陷工程在窄带隙半导体（如CdS）中通过硫空位（S Vacancy）优化H⁺吸附能，而在金属氧化物（如WO₃）中通过氧空位促进H₂O解离。例如，富含氧空位的BiVO₄产氢速率提升3倍。

结论与展望

缺陷工程通过多尺度调控光催化性能，但需平衡缺陷浓度以避免成为复合中心。未来需开发原位表征技术（如原位XAS）和机器学习辅助缺陷设计，推动绿色能源应用。