光催化可實現太陽能到化學能的轉化(如光催化分解水製氫)，是獲得新能（néng）源的（de）一個重要（yào）途徑。發展可有效吸收可見（jiàn）光(波長為400-700nm)的光催（cuī）化（huà）材料是實現高效太陽能光催化轉（zhuǎn）化的前提（tí），然（rán）而多數穩定的光催化（huà）材料的可見光吸收低。摻雜能夠縮小光（guāng）催（cuī）化材料的帶隙，是增加光催化材料可見（jiàn）光吸收的基本手段（duàn）。銳（ruì）鈦礦TiO2是研究最為廣泛的（de）光催化材料，目前利用摻雜手段在一定（dìng）程度上增加了該材料的可見光吸收，但仍無法（fǎ）實現（xiàn）全譜（pǔ）強吸收。

　　2004年以來，中科院金屬研究所沈陽材（cái）料科學國家（jiā）(聯合)實驗室一（yī）直致力於解（jiě）決寬帶隙（xì）光催化材料（liào）的可（kě）見光全譜（pǔ）強吸收的難題。前期的係（xì）列（liè）研究揭示，摻雜原子（zǐ）的空間分布是決定摻雜能否縮小帶（dài）隙的本質因素，即表麵摻雜隻能在帶隙中引入局域化能（néng）級，體相摻雜（zá）可縮小帶隙。同（tóng）時，提出利用層狀結構來實現摻雜原子在體相的均相分布（bù）的思路，增加光催化材料的可見光吸收。然而，如何在非層狀結構（gòu）材料如TiO2中實現摻雜原子的體（tǐ）相摻雜一直未獲突破。

　　最近（jìn），該實驗室（shì）提出利（lì）用間隙原子弱化金屬原子與氧(M-O)的（de）鍵合實現替代晶格氧的摻雜原子進入體相的新機製，獲得了梯度摻雜的銳鈦礦TiO2，實現了可見光全譜強吸收，將TiO2光電解水產氫（qīng）的活性光響應範圍拓展（zhǎn）至700nm。

　　摻雜陰（yīn）離子難以進入金屬氧化物體相本質上是由M-O鍵的高鍵能以及摻雜離子與替代（dài）晶格離子間的電荷（hé）差異造成的。研究人員通過先期發展的“摻雜劑與前軀體合而為一”的特（tè）色製備思路，以TiB2晶體為前驅體，通過水熱及後續的熱處理過（guò）程獲得了（le）間隙硼摻雜的銳鈦礦TiO2微米球，並（bìng）且硼在從球表麵至體相厚約50nm的範圍內呈現梯度分布。理論研究表明，間隙（xì）Bσ (σ ≤ 3)離子可有效（xiào）弱化周圍的Ti-O鍵，使（shǐ）得N替代弱化後的Ti-O鍵的晶格氧（yǎng）所（suǒ）需（xū）的能量顯著降低，且間隙Bσ 的存在提（tí）高了N摻雜TiO2的穩定性。實驗發現，在氨氣氣氛下熱處理（lǐ）梯度間隙Bσ 摻雜的銳鈦礦TiO2，不僅（jǐn）N3-可（kě）有效替代晶格氧，而且N3-的空間分布與間隙Bσ 保持一致，呈現類似的梯度分布，表明間隙Bσ 對N摻雜的空間分（fèn）布起到了關鍵的導向（xiàng）作用。其根源（yuán）在於Bσ 對周圍的Ti-O鍵的弱化，使得N3-選擇性替（tì）代體相中被弱化的（de）Ti-O鍵中的氧。同時（shí），間隙Bσ 貢獻出的額外電子可（kě）有效補償N3-與O2-之間的電荷差異。

　　研究獲得的B/N梯度共摻雜銳鈦礦TiO2材料呈（chéng）現出獨特（tè）的紅色(圖a)，在可見光全譜範圍內具有（yǒu）高的吸光率(圖b)。光催化性能研究表（biǎo）明，此材料的光（guāng）電解水產氫活性響應範圍接近700nm。該結果預示有（yǒu）可能利用TiO2基（jī）光催（cuī）化材料來實現高效可見光分解水（shuǐ）製氫。

　　該工作為如何基於摻（chān）雜實現寬帶隙（xì）光催化材料的可見光吸收（shōu）提供了一種新思路，可用於發展高性能可見光光催化材料。研究結果已發表在Adv. Funct. Mater.(2012, 22, 3233-3238)、Energy & Environmental Science(2012, DOI:10.1039/C2EE22930G)。

　　該工作得到了國家自然科學基金委重大研究項目（mù）、科技部973項目和中科院“太陽能行動計劃”的資助。