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铈掺杂与氧空位协同作用对BaZrO<sub>3-δ</sub>中空纳米球高效光催化产氢的实验与理论联合研究
摘要： 关于氧空位和各类掺杂剂影响的长久争论，一直是钙钛矿基化合物光催化应用的研究核心。本研究通过实验与理论计算系统探究了水热法合成的铈掺杂BaZrO3（BZO）空心纳米球，以阐明铈掺杂和氧空位对光催化性能的影响。采用无模板路线合成的化合物由空心纳米球构成——这些空心结构源自球形纳米球的奥斯特瓦尔德熟化过程，而球形纳米球则由纳米颗粒聚集形成。水热反应的高碱性与高温条件可能导致化合物局部无序和氧空位的形成，该结论通过紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）、X射线光电子能谱（XPS）、电子自旋共振（ESR）分析及密度泛函理论（DFT）计算得到证实。氧空位与BZO中渐进式铈掺杂（BaZr1–xCexO3，x=0.00-0.04）共同作用，在BZO带隙内通过空位缺陷和铈混合价态形成额外能级，从而减小其带隙。通过光驱动产氢伴随牺牲给体氧化的实验评估了化合物的光催化效能。在五组合成样品中，BaZr0.97Ce0.03O3展现出最高效率（823 μmol h-1 g-1），其光催化产氢表观量子产率（AQY）达6%。结合UV-Vis DRS、XPS、ESR分析及DFT计算数据可知：铈掺杂导致的带隙减小、Ce(III)/Ce(IV)对存在、氧空位及晶格畸变的协同效应，可能是BaZr1–xCexO3（x=0.00-0.04）在紫外-可见光下光催化效能提升的关键原因。
关键词： 光催化产氢，铈掺杂，氧空位，BaZrO3，中空纳米球
更新于2025-11-21 11:01:37
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铁磁掺杂Ce的BaTiO3纳米颗粒中由dz2轨道介导的束缚磁极化子及其增强的双光子吸收截面
摘要： 钙钛矿BaTiO3纳米颗粒的富铁磁性与双光子吸收(TPA)截面对于磁性和光学数据存储应用至关重要。本工作中，水热法合成的Ce掺杂BaTiO3纳米颗粒在4 mol%掺杂量时展现出最大室温铁磁性(4.26×10-3 emu/g)，X射线光电子能谱、电子自旋共振光谱及密度泛函理论(DFT)计算证实这是氧空位增加所致。据此采用氧空位构成的束缚磁极化子(BMP)模型解释铁磁性增强现象：BMP理论模型显示Ce掺杂使BMP磁化强度(M0从3.0提升至4.8×10-3 emu/g)和单个BMP真实自发磁矩(meff从4提升至9.88×10-4 emu)增大。DFT计算表明BMP通过Ti d轨道介导产生铁磁性。此外发现氧空位存在时，Ba位Ce诱导的磁矩高于Ti位Ce?？譠扫描技术显示4 mol% Ce掺杂量时因强TPA诱导激发态吸收而具有最高TPA系数β(7.08×10-10 m/W)和TPA截面σTPA(455×104 GM)。较大的σTPA归因于氧空位和Ce离子产生的载流子具有更长激发态寿命τ(7.63 ns)，这些载流子在激发子亚能级中经历多次电子跃迁。
关键词： 铈掺杂、氧空位、束缚磁极化子、双光子吸收、密度泛函理论计算、Z扫描技术、钛酸钡纳米颗粒、铁磁性
更新于2025-11-19 16:56:35
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多掺杂铁酸铋薄膜具有增强的多铁性特性
摘要： 在氟掺杂氧化锡（FTO）/玻璃基底上制备了多掺杂铁酸铋薄膜Bi0.97?xLaxSr0.03Fe0.94Mn0.04Co0.02O3（BLxSFMC，x=0.00–0.18）。通过表征与测试分析了薄膜样品的结构与多铁性能。结果表明：掺杂后BLxSFMC薄膜结构发生改变，氧空位与Fe2?浓度均降低。BL0.18SFMC薄膜呈现欧姆导电特性，减弱了Au电极与BLxSFMC界面空间电荷区内置电场Ebi对极化过程的影响。该薄膜较未掺杂样品展现出更优的铁电性能，剩余极化强度提升至188 μC/cm2，矩形比达1.21。同时氧空位减少降低了Fe2?/Fe3?比例，从而增强Fe–O–Fe键的Dzyaloshinskii–Moriya相互作用，使BL0.18SFMC薄膜饱和磁化强度Ms≈3.94 emu/cm3，铁磁性显著提高。证实多离子掺杂可同步优化BLxSFMC薄膜的铁电性与铁磁性。
关键词： 欧姆传导、内建电场、氧空位、多铁性
更新于2025-11-14 17:28:48
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柔性TiO2@Cf忆阻器交叉阵列中的电阻开关行为与机制
摘要： 基于纤维的忆阻器有望成为未来可穿戴非易失性设备的最理想候选材料之一。本研究通过水热法制备了包覆金红石相二氧化钛纳米棒（TiO2 NRs）的碳纤维（记为TiO2@Cf），并在聚酰亚胺（PI）薄膜上轻松组装了柔性TiO2@Cf忆阻器交叉阵列。该器件展现出双向阈值切换行为，最大开关比达10^5。此外，通过连续偏压扫描循环可实现对忆阻器电导的连续调控。器件还表现出超过1500次循环的优异耐久性且漂移可忽略。采用福勒-诺德海姆隧穿模型解释了TiO2@Cf忆阻器交叉阵列的载流子输运与电阻切换机制：外加电场使TiO2中的氧空位（OV）向TiO2/Cf界面迁移，从而减小耗尽区并增强电流。本研究深化了对柔性TiO2@Cf忆阻器交叉阵列电阻切换行为及相关机理的理解，为忆阻器在人工突触和柔性器件中的潜在应用开辟了新途径。
关键词： 人工突触、氧空位、忆阻器交叉阵列、柔性器件、碳纤维
更新于2025-11-14 17:03:37
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氧空位参与的高效载流子利用促进光催化偶联反应
摘要： 缺陷能显著优化氧化物材料的光捕获能力与电子结构。然而，在温和条件下实现缺陷工程策略仍具挑战性。同时，在耦合体系中协同利用光生空穴（h+）和电子（e?）促进光氧化与光还原的报道更为罕见。我们首次揭示了一种氧空位介导的光催化策略：通过电子与空穴的充分利用，实现硝基苯还原与苯甲醇氧化的耦合反应。二氧化钛表面原位生成的氧空位（OVs）大幅扩展可见光吸收范围，并促进光生电子传输以实现高效光催化。实验与理论结果表明，TiO2表面的化学吸附降低了苯甲醇的氧化电位并使其最高占据分子轨道（HOMO）上移，从而推动苯甲醇向苯甲醛的氧化转化。原位生成的氧空位还充当桥梁，促使光生电子定向迁移至硝基苯。该工作为利用反应物与催化剂间的化学吸附作用，实现协同光催化的缺陷工程策略提供了新视角。
关键词： 光催化、光还原、表面络合、氧空位、光氧化
更新于2025-11-14 14:48:53
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三合一氧空位：全可见光谱吸收、高效电荷分离与表面位点活化助力稳健二氧化碳光还原
摘要： 利用高效催化剂实现太阳能驱动的惰性CO?转化为有用燃料面临重大挑战，这源于光催化剂存在光吸收能力差、电荷分离迟缓及表面活性位点效率低下等问题。本研究报道了一种简便可控的原位还原策略，在钙钛矿相Sr?Bi?Nb?TiO??纳米片上构建表面氧空位（OVs）。我们首次采用助熔剂辅助的软化学法制备了Sr?Bi?Nb?TiO??纳米片，其表面引入的氧空位不仅拓宽了光响应范围，还显著促进了光生载流子的分离。此外，催化剂表面对CO?分子的吸附与活化能力大幅提升。在无需任何助催化剂或牺牲剂的固气反应体系中，富氧空位的Sr?Bi?Nb?TiO??纳米片展现出卓越的CO?光还原性能——CO生成速率达17.11 μmol g?1 h?1，约为块体材料的58倍，超过大多数已报道的先进光催化剂。本研究为提升光催化剂在太阳能转化和可再生能源生产方面的综合性能提供了"三合一"集成解决方案。
关键词： Sr2Bi2Nb2TiO12纳米片，电荷分离，光催化CO2还原，氧空位
更新于2025-09-23 15:23:52
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通过W/Nb掺杂增强Bi4Ti3O12基Aurivillius陶瓷的压电性能与温度稳定性
摘要： 该研究提供了一种有效诱导结构畸变的方法，通过缓解TiO6八面体的四方应变并降低氧空位浓度，从而提升BIT陶瓷的压电性能和温度稳定性。Bi4Ti2.98W0.01Nb0.01O12展现出最优压电系数(d33)达32 pC/N，居里温度高达655°C，且在500°C时仍保持3×106 Ω·cm的高电阻率。本文报道的最大d33值约为纯BIT(~7 pC/N)的四倍。此外，W/Nb共掺BIT的d33值与压缩模式传感器在25-600°C范围内的原位温度稳定性均呈现高度稳定特性。这些结果表明，W/Nb改性的BIT陶瓷是适用于高达600°C高温环境的极具前景的材料。
关键词： Bi4Ti3O12、结构畸变、压电性能、氧空位、温度稳定性
更新于2025-09-23 15:23:52
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导电黑二氧化钛光催化高效转化二氧化碳为甲烷
摘要： 二氧化碳利用面临的主要挑战之一是开发具有足够活性、选择性和稳定性的可用且成本效益高的催化剂，以生成有用的甲烷。研究发现，导电黑二氧化钛（TiO?@x）能有效光催化还原二氧化碳为甲烷。这种独特材料具有晶体核-非晶壳结构（TiO?@TiO?@x），表面存在大量氧空位，有助于二氧化碳分子的吸附和化学活化。在全光谱照射下，经优化的500-TiO?@x材料通过缩小带隙并在导带尾下方形成中间态，展现出高达14.3 mmol·g?1·h?1的甲烷时空产率，选择性达74%且具备优异的光稳定性。该发现不仅对开发表面电子修饰的黑二氧化钛催化剂以提升光催化效率具有重要贡献，更为建立真正可行便捷的二氧化碳转化制甲烷及可再生太阳能存储工艺提供了关键路径。
关键词： 氧空位、光催化、二氧化碳化学、导电黑钛、甲烷生成
更新于2025-09-23 15:23:52
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在局部还原气氛中向赤铁矿引入氧空位以实现太阳能水氧化
摘要： 通过锡掺杂和氧空位引入来改善α-Fe2O3光阳极导电性差和空穴扩散长度不足的问题已成为通用策略。传统锡掺杂是通过高温下锡元素从FTO（氟掺杂氧化锡）基底纵向迁移至α-Fe2O3实现的。为在引入锡的同时向赤铁矿中掺入氧空位以进一步提升其导电性，我们在锡掺杂过程中通过石墨部分氧化构建了局部还原气氛。经石墨上770°C退火20分钟制得的Fe2O3光阳极（G-Fe2O3），其施主密度达到SiO2粉末上退火样品（S-Fe2O3）的约1.7倍，表明氧空位引入后赤铁矿导电性得到改善。此外，氧空位能显著降低锡掺杂赤铁矿的电荷转移电阻，使G-Fe2O3光电流密度较S-Fe2O3提升约70%。但当赤铁矿中锡掺杂量增加时，氧空位对光电流密度的提升效果逐渐减弱。本文报道的氧空位构建策略可推广至其他光阳极体系，以深入理解氧空位对PEC性能的影响。
关键词： 氧空位、锡掺杂、太阳能水氧化、赤铁矿
更新于2025-09-23 15:23:52
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非极性LiAlO2/SrTiO3异质结的界面特性
摘要： 金属氧化物异质结构制备技术的进展备受关注，因为像二维电子气（2DEG）这类新奇特性——最初发现于LaAlO3/SrTiO3界面——并不存在于体相材料中。为拓展对2DEG的研究，我们通过第一性原理计算，探究了有趣的非极性/非极性LiAlO2/SrTiO3异质结构（亦属钙钛矿/非钙钛矿氧化物异质结构）在有/无氧空位情况下的电子性质。我们构建了SrO/LiAlO2和TiO2/LiAlO2两种界面的稳定堆叠构型。LiAlO2/SrTiO3界面的氧空位会诱导体系产生载流子，但未检测到2DEG行为。结果表明：钙钛矿/非钙钛矿氧化物界面呈现三维输运特性。
关键词： 金属氧化物异质结构，第一性原理计算，氧空位，LiAlO2，SrTiO3
更新于2025-09-23 15:23:52