海南大学文伟教授等Chem. Mater.：晶格常数调控提升光活性

应变改变功能材料晶格常数，是提升性能的有效方法。已有的纳米材料中引入应变以调节晶格常数的办法需要将材料沉积于特定基底，然后通过下述方式产生应变：

1) 弯曲或拉伸基底；

2) 利用形状记忆合金基底的变形；

3) 在异质界面产生晶格失配；

4) 将电池电极作为基底，通过充放电过程改变基底尺寸。

这些通过“基底变形或界面晶格错配”的方法将引入额外的相和界面，从而引入底物-配体效应和异质界面作用等多种其他效应，不利于厘清“应变或晶格常数变化”的作用机理。研究人员也发现了二维纳米材料自身存在应变，但也难以排除形貌和尺寸变化对性能的影响。此外，现有相关应变工程研究主要集中于金属材料，对金属氧化物的晶格常数或应变调控相对较少。

海南大学文伟教授团队与合作者在期刊Chem. Mater.发表了题为“Univariate Lattice Parameter Modulation of Single-Crystal-like Anatase TiO₂ Hierarchical Nanowire Arrays to Improve Photoactivity”的研究论文，海南大学为第一完成单位。该研究提出一种新的“可转换前驱体诱导生长”的晶格常数调控方法，在基本不改变成分、形貌、相结构和表面态的前提下，将锐钛矿二氧化钛的晶格常数a延伸了0.37%，且该锐钛矿二氧化钛三维阵列具有独特的“准单晶”结构。研究发现晶胞参数的单轴伸长导致锐钛矿二氧化钛的导带底部上移，空气净化能力显著增强，光催化去除甲苯效率是常规二氧化钛阵列的3.8倍。

利用可转换的前驱体（最终可转变为锐钛矿二氧化钛），可获得晶格常数a伸长的锐钛矿二氧化钛阵列（简写为HNW-S）。图1为HNW-S的结构表征。从XRD图谱可以看出样品为钛片表面生长的锐钛矿二氧化钛相，且（200）面的强度明显增强，说明其生长方向（轴向）为a轴方向。该二氧化钛阵列为核@壳分支结构，直径为130180 nm；外层颗粒尺寸为1020 nm，且具有中空结构，比表面积为102 m²/g。

与此同时，还成功获得了具有同样成分、物相、形貌、表面态的具有常规晶格常数的锐钛矿二氧化钛阵列（简写为HNW）。图2为两个样品的XRD局部图谱对比，可以看出，除了锐钛矿（200）面，其他晶面衍射峰的位置一致；与HNW相比，HNW-S的锐钛矿（200）面衍射峰向小角度移动0.19^o，对应于a轴方向伸长0.37%。

该研究在不改变组成、形貌、相和表面状态的前提下，成功地将准单晶锐钛矿二氧化钛分支纳米线的晶格参数a伸长了0.37%。通过改变晶格常数a对锐钛矿二氧化钛的能带结构进行调控，可获得高活性光催化剂，用于降解空气中的甲苯和还原污水中的Cr⁶⁺离子。该方法为材料晶格常数的调控提供了新路径，也为高性能功能材料的设计提供了新的思路。

Univariate Lattice Parameter Modulation of Single-Crystal-like Anatase TiO₂ Hierarchical Nanowire Arrays to Improve Photoactivity, https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c00089