TiO2可以应用到光催化，光伏电池和半导体等领域。因此，近年来对，生产具有改进性能的还原TiO2的方法相当有意义。其中黑色TiO2是一种能够吸收整个可见光谱的材料，具有很强的光催化H2从水中释放的活性。黑色TiO2通常是通过将纳米粒子纳米粒子，暴露在20 bar的H2气氛中生产。所得到的还原纳米颗粒包含结晶TiO2核和无序壳，但是其化学组成和原子结构尚未详细建立。另外黑色TiO2纳米粒子的光催化活性与其表面上形成无定形层之间直接联系也需要进一步研究。本文采用经典的反作用力场（ReAXFF）分子，动力学模拟的第一原理密度泛函理论（DFT）计算验证，获得了锐钛矿型TiO2的高温高压氢化的直接、原子的观点和所得材料的结构。
成果简介
近日，美国普林斯顿大学的Sencer Selcuk和Annabella Selloni（共同通讯）作者等人发现，虽然在紫外光下，氧化钛（TiO2）具有优异光催化性能，但是如何将其光活性扩展到可见光谱部分一直是一个研究课题。现在常用的一种方法是高压和高温氢化，其导致具有结晶核和吸收可见光的无序壳的“黑色TiO2”纳米颗粒减少。作者利用锐钛矿TiO2表面和纳米粒子，在高温和高氢压下的第一原理验证反应力场分子动力学模拟，阐明了黑色TiO2的形成机理和结构特征。模拟结果显示，在H2与表面氧原子反应时，产生的表面氧空位向材料内部扩散，但在纳米粒子的{001}面上遇到高表面迁移的屏障，这引发表面无序化。除了确认氢化无定形壳在黑色TiO2的光活性中起关键作用外，这项研究成果还提供了在光催化水分解条件下，在常规锐钛矿纳米晶体上观察到的无序表面层的性质的见解。相关成果以“Structural evolution of titanium dioxide during reduction in high-pressure hydrogen”为题发表在Nature Materials上。
本文报道了锐钛矿TiO2纳米粒子的高压氢化模拟，发现将这是TiO2光活性扩展到可见光的最有效方法之一，研究发现模拟纳米粒子的性质与黑色TiO2的实验观察结果一致。揭示了不同锐钛矿表面终止和各向异性VO扩散，在氢化纳米粒子的形成和结构中的关键作用，证实了还原和表面无序，在其性质中的至关重要性，并且还表明控制a-001表面的量。已经设计了许多程序用来微调减少和无序的实用工具。这个结果提供了在光催化水分解过程中，锐钛矿纳米晶体上形成的氢化非晶层结构的相关见解，以及氢处理在其它光活性半导体氧化物中的作用。
文献链接：Structural evolution of titanium dioxide during reduction in high-pressure hydrogen（Nat. Mater., 2018, DOI: 10.1038/s41563- 018-0135-0）。
