说明：本文华算科技介绍了空位工程的空位缺陷分类与特性、空位对电荷载流子的影响及缺陷浓度位置的作用，还阐述了阳/阴离子空位的制备、特性与光催化应用；读者可系统学习到空位调控提升光催化活性的关键机制，掌握不同空位的作用差异及工程化调控要点，为相关研究提供理论参考。
空位工程
空位缺陷的分类与特性
根据缺陷类型的不同，其对光催化活性的影响及内在作用关系也存在差异。根据尺寸与空位类型，材料缺陷可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷及复合缺陷。为调控半导体的光学与电子特性以提升光催化活性，点缺陷（包括空位与掺杂）是常用策略。
空位对电荷载流子的影响
光生载流子的迁移与复合始终与缺陷密切相关：缺陷引入的新能级（“陷阱态”）会改变载流子迁移路径，从而影响其动力学特性。
迄今，缺陷对载流子捕获、分离、迁移的“双刃剑”效应仍无定论。部分研究者认为缺陷作为复合与捕获中心会降低效率；另一部分研究人员则认为缺陷对催化活性有积极作用，因为它们能优先促进电子–空穴对分离。
如图1所示，通过宽带瞬态吸收光谱研究氧空位对三氧化钨（WO₃）载流子动力学的影响发现：与TiO₂和SrTiO₃中氧空位浓度增加会延长载流子寿命的现象不同，在氢气还原处理WO₃的过程中，氧空位（作为复合中心）浓度增加会加速深陷阱电子的衰减。
图1. （a）分散氧空位（OVs）延缓复合与（b）聚集氧空位加速复合的对比。DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c01662
这种差异与氧空位之间的距离相关：在分散缺陷中，被捕获的电子需通过缺陷间的连续跳跃与隧穿实现长距离迁移以与空穴复合，因此复合速率减缓；而在缺陷相连或距离较近的情况下，被捕获电子可在缺陷间快速迁移，导致复合速率加快。因此，调控缺陷间距离是提升活性的重要因素。
缺陷浓度与位置的影响
半导体中广泛存在的非饱和周期性原子排列会成为深陷陷阱与电子–空穴复合中心，损害其本征光催化性能。然而，通过工程化修饰引入的缺陷可突破氧化还原过程中的热力学与光生载流子动力学限制，最大限度提升光催化活性。
尽管适宜的氧空位浓度可提升光催化活性，但过量氧空位会捕获电子、抑制电子迁移率、降低光催化剂结晶度并导致电子–空穴对复合，反而使活性下降。
图2. 锐钛矿TiO₂(101)表面在氧空位覆盖度分别为0（a）、1/8（b）、2/8（c）和3/8（d）层（ML）时的局域几何结构。DOI: 10.1007/s10854-021-05915-5
此外，缺陷类型（体缺陷与表面缺陷）对光催化效率的影响至关重要：表面缺陷可促进电子–空穴分离并解离吸附分子，从而提升整体光降解活性；而体缺陷会导致电子–空穴对复合，对整体过程效率产生负面影响。
阳离子空位与阴离子空位
阳离子空位
如今，研究人员已在半导体中构建多种阳离子空位（如钛空位、锌空位、铋空位、铟空位等），以优化光催化剂的带隙结构与表面特性，从而提升光催化活性。
阳离子空位（即从过渡金属化合物中可控去除金属阳离子）是浅迁移受主，通常会诱导p型导电性。作为一种更具吸引力的方法，金属阳离子空位可使电子构型与轨道呈现出不同于非金属阳离子空位的特性，并取得显著研究成果。
阳离子缺陷通过价带最大值上移与导带最小值下移（无新中间态），赋予催化剂调制能带结构等新特性；此外，阳离子缺陷还易发生偏析，可加速光生载流子迁移，优化带隙结构与表面特性。
图3. NiFe层状双氢氧化物（NiFe LDHs）通过碱性蚀刻进行选择性阳离子空位缺陷工程的示意图。DOI: 10.1007/s12274-018-2033-9
然而，由于阳离子空位的制备能量高于阴离子空位，其在光催化中的应用受到限制。阳离子缺陷工程可通过调节表面特性、提升导电性及优化中间产物吸附能，改变半导体的电子结构并增强光催化特性。
如图4所示，在TiO₂中引入钛空位具有多重优势：
（1）提升离子组分导电性；
（2）增加电子迁移率与界面电荷载流子转移效率，抑制复合；
（3）产生室温铁磁性；
（4）提供水吸附表面活性位点并形成活性复合物，促进水分解。
TiO₂纳米片中的钛空位会使价带最大值轻微下移、导带最小值显著下移，最终导致带隙（Eg）变窄。
图4. （a）正常TiO₂（Ti₁₆O₃₂）与缺陷TiO₂（Ti₁₅O₃₂）的总态密度计算结果。（b）缺陷TiO₂与正常TiO₂的稳态光致发光（PL）光谱。（c）缺陷TiO₂与正常TiO₂的电化学阻抗谱（EIS）Nyquist图。DOI: 10.1021/ja512047k
阴离子空位
阴离子空位（AVs）通常指氧、氮、硫、碳及卤素等阴离子的缺失。由于其形成能较低，已被广泛用于过渡金属氧化物中以提升光催化活性。半导体中的阴离子空位可拓宽光响应范围、促进光生电子–空穴分离、优化电子结构，并产生活性自由基，从而显著增强光催化性能。
富含阴离子空位的催化剂效率提升，主要源于以下特性：
（i）将光吸收范围拓宽至可见光–近红外区；
（ii）通过阴离子空位位点增强有机物与气体（O₂、CO₂、N₂）的吸附；
（iii）借助阴离子空位诱导的带隙中间能级促进载流子分离。
空位诱导的带隙中间态与带隙拓宽效应可缩小带隙（在带隙中引入新缺陷能级），从而提升光捕获能力；阴离子空位位点的浅陷阱效应可促进载流子分离与转移，优化其动力学过程；此外，缺陷调控可同时引入受主与施主位点，为半导体提供独特的电子/空穴分离路径。
如图5所示，Ba²⁺掺杂有利于氧空位的产生：其中表面氧空位作为吸附分子的反应位点，而体相氧空位则作为e/h对的分离捕获中心。
图5. TC光催化降解性能。DOI: 10.1016/j.cej.2022.134580
阴离子空位为浅施主，阳离子空位为浅受主，且阳离子空位通常诱导p型导电性。由于电子构型与轨道分布的差异，阴离子与阳离子空位均能显著调节金属化合物的电子结构与物理化学特性。但由于阳离子空位的形成能较高，其工程化调控比阴离子空位更复杂。
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