调控氧空位是材料科学和催化化学中的一个重要研究方向，尤其在氧化铈（CeO₂）、过渡金属氧化物、半导体材料等领域具有广泛的应用前景。
氧空位的调控不仅能够显著改变材料的物理化学性质，还能提升其催化活性、电化学性能和光催化效率。以下华算科技将从多个角度系统地阐述如何调控氧空位。
气氛调控是调控氧空位浓度最常用的方法之一。在还原性气氛（如H₂、CO、CH₄等）下，材料表面的氧原子容易被还原剂夺取，从而形成氧空位。
在H₂气氛下对Cu/CeO₂催化剂进行热处理，可以显著提高氧空位的浓度，达到30%。此外，氢气还原热处理也被广泛应用于TiO₂薄膜的抗菌性能提升中，通过在4%H₂气氛下处理，TiO₂表面的氧空位浓度增加，从而增强了其在可见光区的吸光能力，抗菌效率从86%提升至97%。
温度是影响氧空位形成和稳定性的关键因素。在高温条件下，材料中的氧原子更容易从晶格中逸出，从而形成氧空位。在高温烧结过程中，CeO₂的氧空位浓度会随着温度的升高而增加。
但过高的温度可能导致材料的晶格结构发生变化，甚至转变为非晶态，从而影响材料的性能。因此，温度调控需要在优化氧空位浓度的同时，兼顾材料的结构稳定性。
元素掺杂是一种有效的调控氧空位的方法。通过引入不同价态的金属或非金属元素，可以改变材料的电子结构和晶格稳定性，从而影响氧空位的形成和分布。
在CeO₂中引入Mn元素，可以形成MnCeOx纳米复合氧化物，其中Mn离子以“Mn-O-Mn-O-Ce”团簇的形式镶嵌于CeO₂晶格中，从而显著提高氧空位的密度。此外，Ni掺杂ZnFe₂O₄也可以有效调控氧空位的含量，从而提高其催化性能。
外场调控包括电场、磁场、激光等手段，通过改变材料的局部电场或能量状态，可以诱导氧空位的形成和迁移。
清华大学于浦教授课题组利用高能电子束实现了对VO₂纳米微区中氧空位的精确控制，进而驱动VO₂发生结构相变及绝缘体-金属转变。此外，臭氧退火方法也被用于调控SrCoO₃薄膜中的氧空位分布，从而提高其析氧反应催化活性。
材料的形貌对氧空位的分布和浓度也有重要影响。例如，MnCeOx纳米棒的表面氧空位密度是立方体的三倍，这表明材料的形貌可以通过调控其表面结构来影响氧空位的分布。此外，纳米棒状结构通常具有更高的比表面积和更多的表面缺陷，因此在催化反应中表现出更高的活性。
界面工程是调控氧空位的另一种重要方法。通过构建不同界面结构的催化剂，可以精确调控氧空位的浓度和分布。Au/CeO₂催化剂中，Au与CeO₂之间的界面结构可以影响氧空位的形成和稳定性，从而影响CO₂的吸附和活化过程。
此外，金属-氧化物界面的调控还可以通过引入氢化位点来增强催化活性，如Pt/CeO₂体系中，Pt原子与CeO₂之间形成Pt-Ce-H氢化位点，从而稳定活性中心并提高CO氧化速率。
化学试剂腐蚀是一种常用的调控氧空位的方法。通过使用酸、碱等化学试剂对材料表面进行腐蚀，可以去除部分氧原子，从而形成氧空位。
在ZnO纳米棒阵列中，通过化学腐蚀可以引入锌空位，从而提高其电子空穴分离效率和光电性能。此外，水热法合成铜离子修饰的钨酸铋也可以通过多电子转移机制减少氧离子，从而产生氧空位。
氧空位在催化反应中起着至关重要的作用。在CO₂还原反应中，高浓度的氧空位能够促进*COOH中间体的形成，从而提高CH₄的选择性。
在Cu/La₀.₃₋ₓSr₀.₆₊ₓTiO₃₋δ系列中，随着A位阳离子价的降低，氧空位浓度逐渐增加，从而显著提高了CO₂RR的活性和C₂+产物的选择性。此外，在CO氧化反应中，氧空位作为活性位点，能够有效吸附和活化CO分子，从而提高催化效率。
在电催化反应中，氧空位可以改变金属-氧化物界面的电子结构和化学环境，从而增强对反应物分子的吸附和活化能力。在电催化析氧反应（OER）中，氧空位的引入可以显著提高催化活性。
例如：SrCoO₃薄膜在4%的拉应力下，氧空位浓度显著增加，从而提高了OER催化活性，相当于贵金属催化剂（如IrO₂）的催化活性。此外，在电催化CO₂还原反应中，氧空位的调控可以显著提高反应的选择性和效率。
氧空位在光催化反应中也起着重要作用。在BiVO₄纳米片中，通过调控氧空位的浓度，可以显著提高其光吸收能力和光电性能，从而增强其光解水制氧性能。
此外，在ZnO纳米棒阵列中，氧空位的引入可以显著提高其电子空穴分离效率和光电性能。此外，氧空位还可以通过改变材料的带隙结构，从而增强其光吸收能力。例如，C掺杂ZnO可以减小其带隙，从而延长载流子寿命，提高光电性能。
在能源转化领域，氧空位的调控可以显著提高电催化反应的效率。例如，在燃料电池和电解水制氢中，氧空位可以增强对反应物分子的吸附和活化能力，从而降低反应的过电位，提高反应速率和效率。此外，在阻变器件中，氧空位的调控可以显著影响其阻变特性，从而提高器件的性能。
在抗菌材料中，氧空位的调控可以显著提高其抗菌性能。例如，在TiO₂薄膜中，通过氢还原热处理可以显著提高其表面的氧空位浓度，从而增强其在可见光区的吸光能力，从而提高其抗菌性能。此外，氧空位还可以通过促进光生电子-空穴对的分离，从而增强其光催化抗菌能力。
调控氧空位是提升材料性能的重要手段之一。通过气氛调控、温度调控、元素掺杂、外场调控、形貌调控和界面工程等多种方法，可以有效调控氧空位的浓度和分布。
这些调控方法在催化反应、电催化反应、光催化反应、能源转化和抗菌性能等方面具有广泛的应用前景。然而，氧空位的调控仍面临诸多挑战，需要进一步的研究和技术突破，以实现对氧空位的精准调控和高效应用。
🎯500+博士团队护航，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
声明：如需转载请注明出处（华算科技旗下资讯学习网站-学术资讯），并附有原文链接，谢谢！
