锐钛矿型纳米晶氧化钛在水净化、空气净化以及太阳能光电转化等领域有着不可替代的重要地位。阴离子掺杂半导体光催化材料可有效实现可见光吸收， 但具有可见光吸收的光催化材料未必具有可见光活性，因为高催化活性是光激发载流子、载流子体相扩散、载流子表面转移等过程协同作用的结果。因此要发展高效 可见光催化材料就必须使阴离子掺杂在半导体本征带隙中引入局域化能级增加可见光吸收的同时，设计和构建有利于光生载流子分离与转移的结构。
最近，我室先进炭材料研究部成会明研究员和李峰副研究员及他们指导的研究生刘岗、赵燕宁与澳大利亚昆士兰大学教授、我所特聘研究员逯高清博 士、孙成华博士等合作，在这一领域取得重要进展，获得了硼、氮共掺杂锐钛矿型纳米晶氧化钛，在紫外和可见光下均表现出优异的光分解有机污染物性能。相关论 文被Angewandte Chemie International Edition接受发表(2008, 47, 4516-4520)。
在碘掺杂中孔氧化钛先期工作的基础上（J. Phys. Chem. B 2006, 110, 20823）， 他们进一步在中孔氧化钛骨架上通过硼、氮共掺杂构建了一种全新的O-Ti-B-N结构。相比于单一的O-Ti-B和O-Ti-N结构，所构建的O-Ti- B-N结构既进一步拓宽了可见光的响应范围，又能‘共催化’高效地收集和分离光生载流子，因此从根本上提高了紫外和可见光下的光催化活性。在可见光下对有 机污染物的催化降解表明，硼、氮共掺杂中孔氧化钛的反应动力学常数是单一硼或氮掺杂中孔氧化钛的25倍和7倍。第一性原理计算结果表明，O-Ti-B-N 结构在能量上稳定，这种结构在靠近费米能级处价带顶附近所引入的B2p和N2p局域态对可见光谱响应范围的拓展有直接贡献。
该工作不仅开发了一种高效氧化钛基光催化材料，而且丰富了对掺杂氧化钛的理解，同时为设计与合成高效光催化材料提供了新的思路。
图1：硼、氮掺杂锐钛矿氧化钛(001)晶面结构模型与电子态密度。
图2：不同氧化钛催化材料在紫外和可见光下降解有机物的反应动力学曲线。
沈阳材料科学国家(联合)实验室供稿