注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

近年来，TiO₂(B)作为二氧化钛材料的一种亚稳相，以其独特的结构在光催化领域得到了广泛的研究。然而，和二氧化钛其他相一样，它仅仅在紫外线照射下才具有光催化活性。为了增强二氧化钛的可见光吸收能力，最简单有效的方法是在氨气环境中直接煅烧以实现氮的掺杂。一般情况下，掺杂到二氧化钛中氮的含量取决于煅烧温度，温度越高，氮掺杂越多。但是，亚稳相的TiO₂(B)在高温煅烧条件下会转变为锐钛矿相。目前，TiO₂(B)的氮掺杂往往是在较低的温度下进行（通常低于400 ℃），获得的氮掺杂效果不理想。因此，如何利用氨气煅烧的方法对TiO₂(B)进行充分氮掺杂仍然是一项挑战。

陕西师范大学马艺副教授课题组利用HF对TiO₂(B)进行预处理，大大提升了TiO₂(B)在氨气煅烧条件下氮的掺杂量，有效提高了TiO₂(B)的光催化活性。

该课题组前期研究中发现在表面修饰HF可以稳定TiO₂(B)的表面能，进而延缓在煅烧过程中TiO₂(B)的相变，甚至在750 ℃时也能保持大量TiO₂(B)相（J. Phys. Chem. C, 2019, 123, 1799）。受此启发，在氨气煅烧前对TiO₂(B)进行简单的HF预处理，很容易就能得到深灰色的氮掺杂TiO₂(B)（B-FN）。结果表明，HF预处理不仅可以维持TiO₂(B)的相结构，还可以促进氮掺杂的增加，使光催化活性明显提高。优化后的氮掺杂TiO₂(B)的光催化析氢速率和降解RhB的速率分别是原始TiO₂(B)的2.8倍和4.2倍。

本文还对氮掺杂TiO₂(B)的光催化性能提升的原因进行了探讨。根据XPS结果可知本研究中氮掺杂方式主要是间隙掺杂，它可以在TiO₂(B)的禁带内引入一部分的N 2p态，从而引发可见光吸收。EIS结果及相关文献结果表明间隙氮掺杂可以使TiO₂(B)的电导率提高两个数量级。PL谱表明，高温煅烧氮化过程主要通过减少原始TiO₂(B)中的缺陷位来减少电荷复合。所以，B-FN光催化剂的优异性能可以归因于其可见光吸收能力、电导率的提高以及电荷复合中心的减少。该研究为制备氮掺杂的TiO₂(B)提供了一种简便有效的策略，有望应用于光催化，锂离子电池，传感器等领域研究。

相关研究近期发表在Chemical Communications 上，第一作者为陕西师范大学硕士研究生尹志广。

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HF promoted increased nitrogen doping in TiO₂(B) photocatalyst

Zhiguang Yin, Zihao Wang, Jiani Wang, Xinyu Wang, Tingting Song, Zenglin Wang, Yi Ma*

Chem. Commun., 2020, 56, 5609-5612, DOI: 10.1039/d0cc01388a

马艺副教授简介

马艺，陕西师范大学化学化工学院副教授。2013年获中国科学院大连化学物理研究所博士学位，师从李灿院士。2013年至2014年赴荷兰埃因霍温工业大学Emiel J. M. Hensen教授研究组从事博士后工作。2015年进入陕西师范大学化学化工学院工作。目前以第一作者或通讯作者在Chem.Rev., Energy Environ. Sci, ACS Appl. Mater. Interfaces, Chem. Commun., J. Phys. Chem. C, Phys. Chem. Chem. Phys., Chin, J. Catal. 等杂志发表论文20余篇。主要研究方向为无机纳米材料在光（电）催化领域的应用。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：二氧化钛一直是光催化材料的标杆性半导体催化剂，而TiO₂(B)作为其亚稳相同样具有可见光响应不足的瓶颈问题，因此通过合理的简单的氮化手段提升其光响应及催化效果一直以来是研究热点。而前期工作中HF对TiO₂(B)的相稳定作用是该工作的想法的起点。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：TiO₂(B)的不稳定性一直是实验的挑战，同时HF的含量对其相变以及氮掺杂的影响也必须同时考虑。因此，在实验过程中实验条件的优化至关重要。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该研究成果同时提升了材料在光催化降解污染物以及产氢的活性，因此对能源及环境领域的催化研究均具有借鉴和帮助作用。