TiO2纳米颗粒薄膜中的碳杂质捕获与电荷局域化

《The Journal of Physical Chemistry C》：Carbon Impurity Entrapping and Charge Localization within TiO2 Nanoparticle Films

二氧化钛纳米颗粒薄膜制备过程中，碳杂质会在纳米颗粒接触界面及颗粒/基底界面形成缺陷（carboneck），即使经过严格热处理和化学处理仍残留于百万分之几浓度，通过EPR光谱分析发现这类缺陷影响光催化性能的电子陷阱行为。

　　钛 dioxide（TiO?）纳米粒子系统因其在紫外光照射下表现出的优异光催化性能而广受关注。它们通常被用作支撑的纳米结构薄膜，由相互连接的TiO?纳米颗粒组成。在薄膜制备过程中，各种缺陷可能被引入，这些缺陷对材料的性能有重要影响。通过缺陷工程，可以有效增强光催化剂中的电荷生成和分离效率。本研究探讨了四种不同TiO?纳米粒子结构体系的顺磁特性，并通过对比支撑薄膜与自由纳米粒子的顺磁信号浓度，揭示了碳相关缺陷在这些体系中的作用及其对光电子性能的影响。

研究发现，在纳米粒子合成和薄膜制备过程中，即使经过充分的清洁和氧化处理，仍然会出现顺磁性的碳相关缺陷，并成为晶格的一部分。这些缺陷在百万分之几的浓度范围内，表现为电子陷阱，我们称之为“carbonecks”中心。这些缺陷的存在可能对基于TiO?的纳米结构的光电性能产生决定性作用。通过电子顺磁共振（EPR）光谱技术，可以识别和分析这些顺磁性缺陷，它们在光照条件下会产生特定的信号，这些信号对应于局部的电荷载体。

研究中提到的“carbonecks”中心是一种新型的外在点缺陷，其形成主要与纳米粒子间的碳杂质有关。这些碳杂质可能源自合成过程中使用的有机添加剂，如 Triton-X 和 acetylacetone。即使在高温和高真空条件下进行氧化处理，这些碳杂质仍然可能残留于纳米粒子的界面区域。因此，理解这些碳相关缺陷的形成机制及其对材料性能的影响，对于优化纳米结构材料的光电性能至关重要。

在薄膜制备过程中，纳米粒子通过水分散和干燥步骤形成网络结构。这些步骤可能会引入碳杂质，并在纳米粒子接触区域形成电子陷阱。通过EPR光谱技术，研究人员能够区分不同类型的缺陷，并观察其在不同处理条件下的行为。例如，当纳米粒子网络暴露于氧气时，其电子陷阱的顺磁信号会发生变化，这可能与局部电子结构的变化有关。

此外，研究还发现，不同类型的纳米粒子结构会导致不同的顺磁信号。例如，支撑在硅基底上的纳米粒子网络表现出更高的信号强度，这可能与硅氧化层的存在有关。硅氧化层可能成为额外的碳杂质陷阱区域，从而影响整体的顺磁特性。这种现象在工业应用中尤为重要，因为许多纳米材料被制备为支撑薄膜，以提高其均匀性和附着力。

通过对比不同纳米粒子结构体系的EPR信号，研究人员发现，碳相关缺陷的浓度和类型受到材料制备过程的影响。在纳米粒子网络中，碳杂质主要存在于纳米粒子间接触区域和纳米粒子与硅基底的界面。这些缺陷在EPR光谱中表现为特定的顺磁信号，其强度和位置反映了不同的电子环境。因此，了解这些缺陷的形成和分布，对于设计和优化纳米结构材料的性能具有重要意义。

总之，本研究揭示了碳相关缺陷在TiO?纳米结构材料中的重要作用。这些缺陷不仅影响材料的光电子性能，还可能成为光催化反应中的关键因素。通过EPR光谱技术，研究人员能够定量分析这些缺陷，并进一步理解其在不同材料结构中的行为。这些发现为未来在纳米材料设计和应用方面提供了重要的理论支持和实验依据。