Interface-confined intermediate phase in TiO 2 enables efficient photocatalysis

光催化 锐钛矿 亚稳态 接口(物质) 相(物质) 金红石 化学 材料科学 计算机科学 物理 催化作用 吸附 物理化学 生物化学 有机化学 量子力学 吉布斯等温线
作者
Qiushi Huang,Yang Zhang,Peng Fei Liu,Hua Gui Yang,Xie Zhang,Su‐Huai Wei
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (6): e2318341121-e2318341121 被引量:26
标识
DOI:10.1073/pnas.2318341121
摘要

As a prototypical photocatalyst, TiO 2 has been extensively studied. An interesting yet puzzling experimental fact was that P25—a mixture of anatase and rutile TiO 2 —outperforms the individual phases; the origin of this mysterious fact, however, remains elusive. Employing rigorous first-principles calculations, here we uncover a metastable intermediate structure (MIS), which is formed due to confinement at the anatase/rutile interface. The MIS has a high conduction-band minimum level and thus substantially enhances the overpotential of the hydrogen evolution reaction. Also, the corresponding band alignment at the interface leads to efficient separation of electrons and holes. The interfacial confinement additionally creates a wide distribution of the band gap in the vicinity of the interface, which in turn improves optical absorption. These factors all contribute to the enhanced photocatalytic efficiency in P25. Our insights provide a rationale to the puzzling superior photocatalytic performance of P25 and enable a strategy to achieve highly efficient photocatalysis via interface engineering.
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