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科学家最终了解二氧化钛– PEC的巨大潜力

时间：2021-07-23 10:17:27 来源：

伦敦大学学院（UCL）的研究人员已经突破了对称为二氧化钛的二氧化钛特性的理解，希望将其用于称为PEC的光电化学电池中。

该研究的基础消除了数十年前的误解，使人们对混合相二氧化钛催化剂如何工作的认识蒙上了一层阴影。混合相二氧化钛催化剂通过结合二氧化钛的两种不同的晶体结构起作用。尽管二氧化钛的化学式始终相同（一个钛和两个氧原子），但其分子可以以不同的方式排列，从而产生不同的晶体结构和性质。

在进行最先进的计算模拟以及对矿物物理样品进行精确实验测量的过程中，UCL的科学家发现，关于混合相二氧化钛催化剂如何工作的广泛接受的解释是错误的。

该研究论文已发表在《自然材料》上。新的认识将帮助科学家和工程师开发改进的光催化剂，这些光催化剂可用于清洁能源技术，自清洁涂料和许多其他领域。

兴奋的基础是科学家已经知道二氧化钛是一种光催化剂，这种二氧化钛在暴露于光能中可以分解成光电化学电池的物质时，能分解其表面的水和其他物质。当光中的光子激发原子结构内的电子时，会发生这种情况。然后，这些电子与水分子发生反应，将它们分裂开，释放出氢，该氢可用作绿色燃料。

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锐钛矿形式的二氧化钛。

UCL化学的主要作者戴维·斯坎伦（David Scanlon）为我们提供了一些背景知识：“去年大约有12,000篇有关二氧化钛的科学文章，因此这是目前研究最深入的催化剂之一。尽管对该材料进行了大量研究，但数十年来，使用混合相样品代替单相材料时观察到的性能提高的解释仍然是个谜。”

二氧化钛本质上最常见的两种形式称为金红石和锐钛矿。两种形式都能够在紫外线的作用下将水分解（尽管锐钛矿比金红石要好得多），但是当两种形式结合到同一颗粒中时，两种形式之间会产生协同作用，从而改善性能。

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该特性背后的原因是金红石和锐钛矿的能带排列（材料中电子的能级之间的关系），但是多年来，这种精确的性质一直是化学，物理学和材料科学领域的众多争论的主题。

早在1996年，瑞士团队进行的一项极富影响力的研究似乎已经解决了为什么金红石-锐钛矿混合物能更好地分解水的问题。该研究得出的结论是，金红石中电子的能级略低于锐钛矿中的电子，并且两者之间的偏移可以解释为什么锐钛矿和金红石的混合样品与纯样品相比具有如此不同的特性。但是该理论的许多问题逐渐变得明显，例如，许多科学家注意到，当使用两者的混合样品时，电子从金红石流入锐钛矿–与金红石的能量水平低于锐钛矿时应该发生的情况相反。

因此，UCL团队着手研究这种现象，从而充分利用当今改进的计算能力和新的实验技术。

该团队使用UCL Legion Cluster超级计算工具对金红石和锐钛矿的性能进行了最新的仿真，发现与1996年研究得出的结论完全相反：偏移量实际上是相反的，锐钛矿具有较低的能量水平。这巧妙地解释了电子从金红石到锐钛矿的神秘流动，以及金红石的氧敏感性。

UCL Chemistry的Charles Dunnill对金红石型锐钛矿酶颗粒的物理样品进行的并行实验得出与计算机模拟相同的结论。

Dunnill说：“这项工作解释了一个问题，这个问题在将近40年的时间里一直没有一个好的答案。实际上，这是我们第一次获得令人信服的结果，以连贯而令人信服的方式解释了二氧化钛的观察特性。”

更好地了解二氧化钛如何分解水和其他分子，对生产绿色燃料的设备以及用于消毒的自清洁涂料的设计具有重要意义。

由UCL领导的团队还包括巴斯大学，都柏林三一学院和STFC达里斯伯里实验室的研究人员。

二氧化钛是另一种非常便宜的光电化学电池材料。加上昨天关于氧化铁的消息必须顺应氢经济的希望。然而，这两种技术才刚刚开始，成本仍然未知。

还有很长的路要走。但是，这些从根本上进行的研究工作正在使人们的看法发生很大变化，并且很可能会引发大规模的商业规模研究。

通过。布莱恩·韦斯滕豪斯

资源：二氧化钛破裂的奥秘

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