氧空位概念在催化劑中的應(yīng)用

1. 氧空位概念-什么是氧空位？

   氧空位（Oxygen Vacancies OVS）的概念早于1960年提出（Superficial chemistry and solid imperfections. Nature, 1960, 186: 3–6），用于研究氣體與固體金屬氧化物作用機(jī)理。特定外界環(huán)境下（比如高溫），會(huì)造成晶格中的氧脫離，導(dǎo)致氧缺失，形成氧空位，缺陷方程可以表示為。

                 MOx－?O晶格=V0+ MOx-1+?/2O2

簡(jiǎn)而言之,氧空位金屬氧化物晶格氧脫去一個(gè)氧原子后形成的缺陷。

 對(duì)于金屬氧化物，其氧空位是缺陷（點(diǎn)缺陷）的一種。在金屬氧化物中，其他元素的電負(fù)性一般小于氧，所以當(dāng)失去氧時(shí)，相當(dāng)于取走一個(gè)氧原子加上兩個(gè)帶正電的電子-空穴，如果這兩個(gè)電子-空穴被束縛在氧空位上即氧空位一般帶正電。

2.氧空位有什么作用？

a. 調(diào)節(jié)金屬氧化物電子結(jié)構(gòu)

調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)

氧空位存在時(shí)使氧化物費(fèi)米能級(jí)向上移動(dòng)，在帶隙中出現(xiàn)缺陷能級(jí)進(jìn)而減少能帶寬度，提高光吸收性能。

促進(jìn)載流子分離

氧空位促進(jìn)激子轉(zhuǎn)化為載流子，加速表面還原半反應(yīng)促進(jìn)載流子分離。OVS缺陷在氧化物表面（邊緣，角或露臺(tái)）產(chǎn)生不飽和配位點(diǎn)。

b. 作為活性位點(diǎn)

氧空位優(yōu)化反應(yīng)物在催化劑表面的吸附能，從而降低反應(yīng)能壘，促進(jìn)分子活化。在催化劑中OVS與附近活性金屬位起協(xié)同作用。

2.如何在金屬氧化物創(chuàng)造氧空位？

3. 什么樣的氧化物有條件產(chǎn)生氧空位？

 氧化物根據(jù)其化學(xué)行為可以分為兩類(lèi)：非還原和可還原氧化物。可還原氧化物由于相應(yīng)的金屬陽(yáng)離子而改變氧化狀態(tài)，不可還原的氧化物由不易失氧的材料組成。由于氧處于O-2氧化態(tài)，因此通過(guò)去除中性O(shè)原子而留在材料上的多余電子不能容納在能量過(guò)高的陽(yáng)離子空穴中，從而導(dǎo)致材料的導(dǎo)帶的形成。這些氧化物，如SiO2、MgO、Al2O3等，都屬于該類(lèi)。通常這些材料的特征是分離價(jià)帶(VB)分離非常大的帶隙（通常>3eV）。

  因此氧化物中的氧離子很難分離出來(lái)。氧原子以O(shè)2或H2O的形式被去除時(shí)，材料上留下的多余電子被困在特定的位置（例如氧空位）中，并在帶隙中產(chǎn)生新的缺陷態(tài)。這一過(guò)程在能量上是非常昂貴的，因此這些非還原氧化物是高度化學(xué)計(jì)量，穩(wěn)定和化學(xué)惰性的。相反可還原氧化物的特點(diǎn)是能夠以相對(duì)容易的方式交換氧氣。這是因?yàn)椴牧仙峡捎玫目諔B(tài)由陽(yáng)離子d軌道組成，相對(duì)于VB來(lái)說(shuō)，陽(yáng)離子d軌道的能量不太高。這些氧化物通常具有半導(dǎo)體特性，帶隙<3eV。氧的去除導(dǎo)致多余的電子在陽(yáng)離子空能級(jí)上重新分布，從而將它們的氧化狀態(tài)從Mn轉(zhuǎn)變?yōu)镸(n?1)。過(guò)渡金屬氧化物，如TiO2、WO3、NiO、Fe2O3、CeO2 、Co3O4等。

 即Mars and van Krevelen機(jī)理：指反應(yīng)過(guò)程為反應(yīng)物與催化劑晶格氧離子反應(yīng)的機(jī)理。第一步是反應(yīng)物與催化劑產(chǎn)生氧空位被還原。第二步是催化劑被解離吸附的氧補(bǔ)充氧缺位而重新氧化，得以再生。由于第一步是氧化物催化劑被還原，第二步催化劑被氧化，這種機(jī)理也被稱(chēng)為氧化還原機(jī)理。