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成果簡介

二氧化鈦是多相光催化中應用最廣泛的催化劑，為了提高性能，二氧化鈦經常與帶隙較窄的共催化劑雜化。三氧化鎢具有2.7 eV的帶隙和優異的穩定性，常被選為二氧化鈦的助催化劑。這種雜化協助電子?空穴的分離，并減輕電子?空穴的復合，已經被開發用于降解污染物和抗生素。目前的研究更關注WO₃/TiO₂電荷存儲能力，一致認為單層三氧化鎢覆蓋是最佳的。

為了填補理論計算在這一角度的空白，美國加州大學Philippe Sautet等人通過第一性原理計算，發現單斜WO₃(001)優先在銳鈦礦型TiO₂(001)表面形成重構的單層。在環境條件下，即在一定壓力和溫度下與氣相O₂/H₂O或H₂/H₂O平衡，或在一定pH和電化學電位下的水溶液中，徹底研究了WO₃/TiO₂表面的結構。并且基于WO₃/TiO₂在不同電位下的表面結構，作者提出了充電時的質子耦合電子轉移(PCET)反應途徑和放電時的氧還原反應(ORR)途徑，這說明了它具有可逆的電子存儲能力。

計算方法

所有DFT計算均使用維也納從頭算模擬包(VASP)進行建模，交換相關能通過Perdew – Burke – Ernzerhof交換相關函數與Grimme經驗校正、 (PBE-D3)實現電子計算。Monkhorst?Pack k點網格3 × 3 × 1，同時平面波截斷能設置為400 eV，能量收斂極限為10^?6 eV，結構優化的力收斂極限為0.02 eV/?。

本文采用dDsC色散校正方法來考慮范德華力，為了提高電子結構分析的準確性和電荷載流子定位，使用PBE+UTi幾何結構，使用Heyd – Scuseria – Ernzerhof泛函(HSE06)進行單點能計算。同時，本文還采用隱式溶劑化模型和線性化泊松-玻爾茲曼方法的表面充電方法模擬了催化劑在水溶液中的溶劑和電解質。

結果與討論

a-TiO₂(001)上m-WO₃(001)單層最穩定的計算結構如圖1所示，其表面能為?1.40 J/m²。m-WO₃(001)單層在a-TiO₂(001)上的表面能和其他結構的定義見附注2。與非支撐的m-WO₃(001)表面不同，表面W原子上的末端氧覆蓋率為1/ 2ML，支撐的WO₃單層具有1ML的末端氧覆蓋率。

【純計算】ACS Catalysis：第一性原理計算WO3/TiO2界面上的光電子存儲情況

圖1. 催化劑模型圖

為了確定三氧化鎢/二氧化鈦在實際實驗條件下的表面結構，必須比較各種吸附物的表面穩定性，如O、O₂、H、OH和水的形成和O空位的形成。對于在實驗條件下極有可能填充表面的吸附物，如H和H₂O及覆蓋效應。結果總結在圖2所示的穩定性圖中，相應的結構如圖3所示。

由圖2a可知，當a-TiO₂(001)與H₂O和O₂平衡時，在p_O2 = 21 kPa，p_H2O = 3.5 kPa，T = 298 K的光催化實驗條件下，將a-TiO₂(001)水合成2H₂O@TiO₂ (1/ 2ml H₂O, 3.43 H₂O/nm²)。a-TiO₂(001)表面吸附的兩個水分子解離成OH和H，并破壞橋接氧的化學鍵，導致a-TiO₂(001)表面的重建和穩定。而在缺水條件下，不發生H₂O的化學吸附，a-TiO₂(001)保持裸態。在缺水但富氧的條件下，a-TiO₂(001)可以被氧化成O@TiO₂。如圖2b所示，在光催化實驗條件下，負載的m-WO₃(001)單層是裸露的。在富水條件下，水分子可以吸附在鎢原子上(H₂O@WO₃)。在富水貧氧條件下，WO₃單層的末端氧可以被氫化，形成末端羥基(H@WO₃)。

由圖2c可知，在實驗條件下(p_H2 = ~ 1 kPa, p_H2O = ~ 5 kPa, T = 500 K)，當與_H2O和H₂平衡時，a-TiO₂(001)也被水合成2H₂O@TiO₂通過控制水的化學勢，也可以實現裸TiO₂、2H₂O@TiO₂和4H₂O@TiO₂之間的相轉變。而在貧水富氫條件下，TiO₂的橋接氧可以氫化形成羥基(H@TiO₂)；即使在缺水的條件下，這些氧也會被解吸，形成氧空位(Ov@TiO₂)。圖2d中，通過控制氫化學勢，可以實現裸WO₃、H@WO₃和2H@WO₃之間的相轉變。在富水但缺氫的條件下，水可以被吸附(H₂O@WO₃)。在貧水富氫條件下，WO₃單層的末端氧可以被解吸并形成氧空位(O_v@WO₃)。

圖2. 催化劑的相圖關系

圖3. 圖2所對應的結構

在光電化學電池中，WO₃/TiO₂在一定的電化學電位和pH下與水溶液處于平衡狀態。由于WO₃/TiO₂的突出作用是其電荷存儲能力，而純TiO₂表面本身不具有電荷存儲能力，因此忽略模型底部的純TiO₂表面，僅考慮支撐WO₃單層的表面結構。關于這部分計算的細節在輔助說明8中討論。結果總結在圖4所示的Pourbaix圖中，相應的結構列在圖3中。

由圖4可知，在實驗條件下(pH =?0.8)，光照前負載的WO₃單層不帶電，為裸層結構。在光輻射下，TiO₂導帶中的光生電子提供負電位，裸露的WO₃單層逐漸捕獲質子和電子，最終躍遷到4H@WO₃(所有吸附量對應于p(2 × 2)超胞)。當光輻射消失時，TiO₂停止產生光電子，4H@WO₃逐漸釋放質子和電子，最終松弛回裸露的WO₃表面。質子-電子解吸過程的圖示如圖5b所示。

圖4. 反應催化劑的Pourbaix圖

負載WO₃單層上的質子耦合電子轉移如圖5a所示。研究發現水簇結構有助于避免隱式溶劑對溶劑化殼的非物理侵入首先，H⁺ (H₂O)₄接近表面附近的亥姆霍茲平面(ΔE =?0.62 eV)。然后，H質子與WO₃的末端氧結合(ΔE = +0.37 eV, E_a= +0.44 eV)。最后，(H₂O)₄從亥姆霍茲平面返回為大塊液體(ΔE = +0.25 eV)。首先，O₂接近表面附近的亥姆霍茲平面，W向O₂發生部分電子轉移(ΔE = – 0.49 eV)。然后，O₂ ^δ?與*H⁺結合，并與存儲在W中的電子結合，形成^*HO₂^?(ΔE = – 0.82 eV)。此時有兩種可能的反應途徑：(1)HO₂^?直接從WO₃單分子層脫附形成HO₂^?δ?(ΔE = +0.16 eV)， HO₂^?δ?離開亥姆霍茲平面(ΔE = +0.42 eV)時將部分電子給回WO₃；(ii) ^*HO₂^?δ?與另一個儲存的質子-電子對反應生成^*H₂O₂ (ΔE = – 1.71 eV)， H₂O₂從WO₃單層(ΔE = +0.34 eV)中解吸。雖然^*HO₂^?和^*H₂O₂解吸是吸熱的，但從熵的角度考慮，這樣的過程是有利的。然而，這些質子-電子的脫附過程相對緩慢，這也解釋了為什么WO₃/TiO₂在去除光輻射幾分鐘后仍然具有活性。

圖5. 反應能壘及質子耦合電子轉移示意圖

作者通過對電子結構的分析，繪制了態密度圖，進一步描述了電子-空穴對分離和電子存儲機理。WO₃/TiO₂價帶主要由O p軌道組成，導帶主要由Ti d軌道組成，W d軌道在導帶下方引入0.8 eV的間隙態(圖6a)。在電子-空穴對生成后，光電子傾向于從TiO₂導帶向能量較低的方向遷移到WO₃單層中(圖6b)，它們可以參與還原反應，也可以被儲存起來。載流子的局域化可以用DOS中電子空穴誘導的間隙態和右邊的自旋密度組態來表征。

這種電子和空穴的物理分離阻礙了電子-空穴的復合，從而減輕了TiO₂中載流子的復合，從而提高了光子吸收效率和催化劑性能。當WO₃/TiO₂充滿電時，WO₃/TiO₂質子化為4H@WO₃，W在裸WO₃/TiO₂中的凈Bader電荷為+2.79 e，但在4H@WO₃中下降到+2.60 e，這與W(VI)向W(V)的轉變一致。那樣對應于一個完整的電子。

圖6. 催化劑電子結構

結論與展望

通過第一性原理方法，這種探索了a-TiO₂(001)表面與m-WO₃(001)層的性質，包括外延、環境條件下的表面結構和電子結構，揭示了WO₃/TiO₂在表面的可逆電荷存儲機制。

此外，與許多其他金屬氧化物超薄層一樣，在a-TiO₂(001)上的m-WO₃(001)多層具有未補償的極性。當實驗條件(H₂O/H₂化學勢)改變時，TiO₂表面和WO₃單層都可能與H₂O/H₂發生相互作用并過渡到其他相。這種可逆的質子-電子儲存機制解釋了實驗觀察到WO₃/TiO₂在光輻射去除后幾分鐘仍保持活性的原因。本研究對光催化反應及電子存儲性能的研究做出了更為深入的解釋。

文獻信息

Li, Y., Cheng, D., Wei, Z., & Sautet, P. (2023). Photoelectron Storage at the WO₃/TiO₂ Interface: Modeling in Ambient Conditions from First-Principles Calculations.?ACS Catalysis,?13, 9979-9986.

https://doi.org/10.1021/acscatal.3c01756

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