研究目的
开发一种在导电基底上直接生长具有可调晶面的TiO2的方法，阐明F-和H+离子在晶面调控中的作用，并确定光催化应用中晶面的真实反应活性顺序。
研究成果
该研究成功开发出一种直接在导电基底上生长晶面调控TiO?的方法，减少了颗粒间边界并增强了电荷传输。研究发现是H?离子（而非F?离子）提高了{001}晶面的比例，这挑战了传统认知。晶面反应活性取决于光催化反应类型：{001}晶面具有氧化性，而{101}/{010}晶面具有还原性。晶面共存能提升CO?还原等特定应用的性能，而单一晶面则在PEC水分解等其他应用中表现更优。这些发现深化了对晶面控制的基础认知，可优化TiO?在各类光催化用途中的性能。
研究不足
该合成过程需精确控制反应条件（如温度、时间、离子浓度）以避免不规则形貌或二次颗粒形成。该方法仅适用于TiO2和FTO基底，工业化应用的规模化可能具有挑战性。DFT模拟基于理论模型，可能无法完全反映所有实验细节。
1：实验设计与方法选择：
开发了一种一锅水热合成法，在氟掺杂氧化锡（FTO）基底上生长具有可调晶面的垂直排列锐钛矿纳米结构。采用密度泛函理论（DFT）模拟验证实验结果。
2：样品选择与数据来源：
以不同用量的盐酸（HCl）、水、钛酸四丁酯（TTBT）和六氟钛酸铵（AFT）为前驱体合成TiO?样品，FTO基底作为导电基体。
3：实验设备与材料清单：
盐酸（HCl，Carlo Erba）、钛酸四丁酯（≥98%，Acros Organic）、六氟钛酸铵（99%，Acros Organic）、FTO基底（OPV tech，7-8 Ω/□）、聚四氟乙烯（PTFE）高压釜、烘箱、真空干燥箱、马弗炉。
4：实验步骤与操作流程：
混合搅拌前驱体后倒入含FTO基底的PTFE高压釜，140-180°C加热5-24小时，冷却后经冲洗、干燥，600°C煅烧去除氟离子。
5：数据分析方法：
形貌分析使用扫描电镜（SEM，日立SU8030），微观结构用透射电镜（TEM，JEOL 2100Plus），晶体相态通过X射线衍射仪（XRD，布鲁克D8 Advance）测定，拉曼光谱采用NTEGRA光谱仪（NT-MDT），紫外-可见吸收光谱使用Genesys 10S分光光度计（赛默飞世尔），表面粗糙度通过原子力显微镜（AFM，日立AFM5300E）检测。光电化学测试采用三电极体系配合PalmSens电化学工作站，光催化CO?还原使用连续流系统搭配气相色谱仪（安捷伦7890A）。DFT计算通过VASP软件完成。
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Scanning Electron Microscope
SU8030
Hitachi
Observing the morphology of TiO2 products
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Transmission Electron Microscope
2100Plus
JEOL
Investigating microstructural characteristics
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X-ray Diffractometer
D8 Advanced
Bruker
Determining crystalline phases
-
UV-Vis Spectrophotometer
Genesys 10S
Thermo Scientific
Measuring UV-Visible light absorption spectra
-
Atomic Force Microscope
AFM5300E
Hitachi
Evaluating roughness and surface area
-
Gas Chromatograph
7890A
Agilent
Analyzing gaseous products
-
Raman Spectrometer
NTEGRA Spectra
NT-MDT
Measuring Raman spectra
-
Potentiostat
PalmSen
Performing photoelectrochemical measurements
-
Xe Lamp
PLS-SXE300UV
Perfect Light Co. Ltd
Providing incident light for photocatalytic tests
-
FTO Substrate
OPV tech
Conductive substrate for TiO2 growth
-
Hydrochloric Acid
37%
Carlo Erba
Source of H+ ions in synthesis
-
Tetrabutyl Titanate
≥98%
Acros Organic
Ti4+ precursor
-
Ammonium Hexafluorotitanate
99%
Acros Organic
F- source
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