西安理工大學Nanoscale綜述：高指數晶面氧化物微/納米結構的研究進展

第一作者：孫少東

通訊作者：孫少東，梁淑華

通訊單位：西安理工大學

DOI：10.1039/c9nr05107d

文獻鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/nr/c9nr05107d

成果簡介

通過對金屬氧化物中高指數晶面的形成機理、表征手段以及性能增強機制的深入研究，研究人員揭示了高指數晶面與催化活性之間的“構效關系”，進而構建新型的高性能金屬氧化物微/納米結構。近日，西安理工大學孫少東教授和梁淑華教授（共同通訊）團隊以“High-index faceted metal oxide micro-/nanostructures: a?review on their characterization, synthesis and applications”為題在《Nanoscale》上發表綜述文章，系統地論述了含有高指數晶面的金屬氧化物微/納米結構的可控合成方法、表征技術、催化機制和應用領域，并對高指數晶面金屬氧化物的前景提出來了新的見解和展望。論文的合作者還包括：張鑫（碩士研究生）、崔杰（工程師）和楊卿（教授）。

全文速覽

暴露高密度低配位原子(包括邊緣、臺階和扭結)的高指數晶面可以為化學反應提供更多的活性位點。因此，在過去的幾十年里，各種含有高指數晶面微/納米結構的應用取得了很大的進展。以往的綜述類文章主要突出了貴金屬納米晶體高指數晶面的研究進展，但迄今為止，還未出現關于討論高指數晶面的金屬氧化物及其晶面效應的專有綜述文章。因此，本文闡述了現有的高指數晶面金屬氧化物微/納米結構（包括Cu₂O、TiO₂、Fe₂O₃、ZnO、SnO₂和BiVO₄）的合成方法、表征技術及其在催化、傳感器、鋰離子電池和一氧化碳氧化等領域的應用。此外，還提出了該領域所面臨的挑戰和未來可能的發展動向。作者希望通過這篇綜述文章能夠為當前致力于研究高指數晶面微/納米材料的科研工作者提供一定的理論和實驗指導。

前言

在過去的幾十年里，由于金屬氧化物微/納米結構的表面原子具有獨特的晶格氧和氧空位，因而在催化、傳感、能量轉換等領域得到了廣泛的應用。因此，精確地調整其表面原子排列是提高性能的有效手段，這也促進了晶面可控的金屬氧化物微/納米結構合成技術的發展。這使得許多科研工作者對晶面效應的研究產生了濃厚的興趣。研究晶面效應的一個主要挑戰是構建暴露特定晶面的多面體微/納米單晶體。常見的多面體微/納米單晶體的幾何結構包括：立方體、八面體和菱形十二面體。這些模型通常暴露于緊密堆積的低指數面如{100}、{111}和{110}。由于低指數面缺乏更多的高活性化學反應中心，因而阻礙了其性能的提高。

為了進一步研究金屬氧化物的晶面效應，首先研究人員需要在多面體微/納米結構中構建新的高活性表面。從理論上講，高指數晶面具有裸露的高密度的低配位原子(包括邊緣、臺階和扭結)能夠提供更多的化學反應活性位點。但需要特別強調的是，一些低指數面(例如TiO₂的{001}和{110})的表面能可能高于某些高指數晶面的表面能。迄今為止，由于強的金屬氧鍵和復雜晶體堆積結構的存在引起了高表面能和速度的快速提高，使得制備高指數晶面金屬氧化物微/納米結構仍面臨重大挑戰。因此，具有裸露的高指數晶面金屬氧化物的合成以及對其面相關應用的深入探索仍處于起步階段。

本文在現有文獻的基礎上，對金屬氧化物微/納米結構高指數晶面的研究進展進行了全面的論述。首先，我們從結晶學分類和幾何演化兩個方面介紹了高指數晶面的基本知識。在此基礎上，給出了高指數晶面的識別方法和表征技術。繼而簡要闡明了影響金屬氧化物中高指數晶面形成的關鍵因素。隨后，我們主要討論了報道中的金屬氧化物裸露的不同高指數晶面類型(包括Cu₂O、TiO₂、Fe₂O₃、ZnO、SnO₂和BiVO₄，如圖1所示)。對于每一種氧化物，我們詳細的描述了高指數晶面的種類和可控合成機理，包括多面體和其它規則形貌（如圖2和圖3所示）。在應用方面，本文重點介紹了幾種典型的金屬氧化物體系中高指數晶面對催化、傳感、鋰離子電池和一氧化碳氧化性能的增強機制。最后，我們提出了幾個具有挑戰性的問題和未來的研究方向。

圖文導讀

全文總覽

圖1. 含有高指數晶面的Cu₂O單晶體的SEM，TEM圖像和幾何構型匯總

圖2.不同高指數晶面包圍的八面體SnO₂單晶體的SEM，TEM，SAED圖像以及原子模型示意圖

小結

高指數面金屬氧化物晶體的發展是近幾十年來晶面效應研究中最主要的方向之一。本文除了對典型金屬氧化物微/納米結構高指數晶面的研究進展進行了全面的論述，還提出了該研究領域中可能面臨的機遇與挑戰。例如：

（1）異面結構筑。已有文獻表明：晶面異質結的構建是提高光催化性能的有效手段。因此，開發新的合成技術制備高指數晶面異質結，并擴大其潛在的應用范圍非常必要。

（2）晶面比例的細微調控。合理地調整高指數晶面在微/納米晶體中的百分比是改善性能的另一項重要方法。

（3）功能化改性。具有高指數面的摻雜金屬氧化物的開發仍處于萌芽階段。因此，在未來的研究中，高指數晶面氧化物的摻雜或共摻雜問題是一個新的研究方向。例如，對于多面體結構的摻雜改性，如何將活性物種定向在特定的高指數晶面位置上，是一項巨大的挑戰。此外，涉及高指數面金屬氧化物的電子結構和高指數面金屬氧化物基納米復合材料界面結構的理論計算，應進行更加深入的研究。

作者簡介

孫少東，男，1981年12月生，本科、碩士均畢業于西安理工大學材料科學與工程學院，西安交通大學工學博士，新加坡國立大學化學系博士后，陜西省“百人計劃”入選者，現為西安理工大學材料物理與化學系教授。主要從事面向環境保護和清潔燃料開發的半導體納米材料晶面結構調控與光催化性能增強機制研究。

具體科研成果詳見課題組網頁：http://js.xaut.edu.cn/web/sdsun

課題組近年來發表的綜述論文列表：

[1] Cuprous oxide (Cu₂O) crystals with tailored architectures: A comprehensive review on synthesis, fundamental properties, functional modifications and applications, Progress in Materials Science, 2018, 96, 111.

[2] Morphological zinc stannate: synthesis, fundamental properties and applications, Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 20534.?

[3] Recent advances in functional mesoporous graphitic carbon nitride (mpg-C₃N₄) polymers, Nanoscale, 2017, 9, 10544.

[4] Diversified copper sulfide (Cu_2-xS) micro-/nanostructures: a comprehensive review on synthesis, modifications and applications, Nanoscale, 2017, 9, 11357.

[5] Recent advances in hybrid Cu₂O-based heterogeneous nanostructures, Nanoscale, 2015, 7, 10850.?

[6] High-index faceted metal oxide micro-/ nanostructures: a review on their characterization, synthesis and applications, Nanoscale, 2019, 11, 15739.?

[7] Water-guided synthesis of well-defined inorganic micro-/nanostructures, Chem. Commun., 2019, 55, 9418.?

[8] Amorphous TiO₂?nanostructures: synthesis, fundamental properties and photocatalytic applications, Catal. Sci. Technol., 2019, 9, 4198.?

[9] Synthesis, Functional Modi?cations, and Diversi?ed Applications of Molybdenum Oxides Micro-/Nanocrystals: A Review, Cryst. Growth Des., 2018, 18, 6326.?

[10] Tuning Interfacial Cu-O Atomic Structures for Enhanced Catalytic Applications, Chem. Asian J., 2019, DOI: 10.1002/asia.201900756.?

[11] Mesocrystals for photocatalysis: a comprehensive review on synthesis engineering and functional modifications. Nanoscale Adv., 2019, 1, 34.

[12] Hollow Cu_xO( x = 2, 1) micro/nanostructures: synthesis, fundamental properties and applications, CrystEngComm,?2017,?19, 6225.?

[13] Recent advances in tuning crystal facets of?polyhedral cuprous oxide architectures, RSC Adv., 2014, 4, 3804.

[14] Cu₂O-templated strategy for synthesis of?definable hollow architectures, Chem. Commun., 2014,?50, 7403.

本文由西安理工大學孫少東教授課題組供稿。

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