铝掺杂对多面体SrTiO3光催化氧化丙酮中表面化学的影响

《The Journal of Physical Chemistry C》：Effect of Al-Doping of Faceted SrTiO3 on Surface Chemistry in Photocatalytic Oxidation of Acetone

　　

研究人员研究了Al³⁺掺杂如何影响SrTiO₃在丙酮气相光催化氧化中的晶面特异性性能，比较了立方和截断结构。原位漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）表明，Al掺杂抑制了丙酮的晶面特异性吸附，并导致丙酮在立方和截断结构上呈现非常相似的相对弱吸附状态。在两种Al³⁺掺杂的SrTiO₃结构上，吸附丙酮的氧化都通过α-断裂进行，生成乙醛和甲醛，随后形成表面结合的乙酸盐和甲酸盐。CO₂的缺失表明这些物种使表面失活，导致氧化过程快速终止。有趣的是，表面结合产物的形成速率在Al³⁺掺杂的截断SrTiO₃上似乎高于立方形态——这与未掺杂类似物在立方结构上表现出更高速率的情况相反。时间分辨光致发光（TRPL）分析表明，与具有相同形态的未掺杂SrTiO₃相比，Al³⁺掺杂延长了两种形态的载流子寿命。重要的是，Al掺杂的立方STO显示出较短的载流子寿命（τ₁ = 86 ± 0.1 ps；τ₂ = 709 ± 1 ps），而Al掺杂的截断材料则较长（τ₁ = 116 ± 0.1 ps；τ₂ = 1070 ± 1 ps）——这与后者观察到的更快的丙酮转化一致。本研究表明，SrTiO₃的Al³⁺掺杂在光照下诱导了从晶体学控制到缺陷主导的表面化学转变，尽管掺杂延长了立方和截断SrTiO₃结构的载流子寿命，但阻止了丙酮的完全矿化。

论文解读：铝掺杂对多面体SrTiO₃光催化氧化丙酮表面化学的影响

室内空气污染对人类健康构成显著威胁，光催化氧化技术可将挥发性有机化合物（VOCs）转化为CO₂和水，因而受到广泛关注。丙酮是典型的VOC，常作为模型分子研究光催化氧化机制。除TiO₂外，SrTiO₃因具有高表观量子效率且可通过水热/溶剂热方法构筑不同暴露晶面的结构，成为研究晶面依赖性光催化的理想材料。已有研究表明，未掺杂SrTiO₃的{100}和{110}晶面在丙酮吸附和氧化中表现出不同的反应路径，而Al³⁺掺杂可显著提高SrTiO₃光催化水分解的量子效率。然而，Al掺杂对SrTiO₃晶面表面化学及气相光催化氧化VOCs的影响尚缺乏深入认识。因此，本研究旨在系统探究Al掺杂如何改变立方和截断SrTiO₃的晶面特异性性能，尤其关注丙酮吸附和光氧化过程。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：利用水热法合成未掺杂立方（c-STO）和截断（trd-STO）SrTiO₃，再以这两种样品为前驱体，通过固态合成（SrCl₂/Al₂O₃，1100 °C煅烧）制备Al掺杂样品（c:Al-STO和trd:Al-STO）。采用X射线衍射（XRD）及Pawley拟合确定晶格参数，扫描电子显微镜-能量色散光谱（SEM-EDS）分析形貌和元素组成，拉曼光谱检测结构畸变；原位漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）实时监测表面吸附和光氧化过程中的物种变化；时间分辨光致发光（TRPL）结合全局分析（Pyglotaran）提取载流子寿命。样品均为实验室合成，无外部队列来源。

研究结果部分：

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