新疆氧空位概念在催化剂中的应用

氧空位概念在催化剂中的应用

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），用于研究气体与固体金属氧化物作用机理。特定外界环境下（比如高温），会造成晶格中的氧脱离，导致氧缺失，形成氧空位，缺陷方程可以表示为。

                 MOx－ʎO晶格=V0+ MOx-1+ʎ/2O2

简而言之,氧空位金属氧化物晶格氧脱去一个氧原子后形成的缺陷。

 对于金属氧化物，其氧空位是缺陷（点缺陷）的一种。在金属氧化物中，其他元素的电负性一般小于氧，所以当失去氧时，相当于取走一个氧原子加上两个带正电的电子-空穴，如果这两个电子-空穴被束缚在氧空位上即氧空位一般带正电。

2.氧空位有什么作用？

a. 调节金属氧化物电子结构

调控能带结构

氧空位存在时使氧化物费米能级向上移动，在带隙中出现缺陷能级进而减少能带宽度，提高光吸收性能。

促进载流子分离

氧空位促进激子转化为载流子，加速表面还原半反应促进载流子分离。OVS缺陷在氧化物表面（边缘，角或露台）产生不饱和配位点。

b. 作为活性位点

氧空位优化反应物在催化剂表面的吸附能，从而降低反应能垒，促进分子活化。在催化剂中OVS与附近活性金属位起协同作用。

2.如何在金属氧化物创造氧空位？

3. 什么样的氧化物有条件产生氧空位？

 氧化物根据其化学行为可以分为两类：非还原和可还原氧化物。可还原氧化物由于相应的金属阳离子而改变氧化状态，不可还原的氧化物由不易失氧的材料组成。由于氧处于O-2氧化态，因此通过去除中性O原子而留在材料上的多余电子不能容纳在能量过高的阳离子空穴中，从而导致材料的导带的形成。这些氧化物，如SiO2、MgO、Al2O3等，都属于该类。通常这些材料的特征是分离价带(VB)分离非常大的带隙（通常>3eV）。

  因此氧化物中的氧离子很难分离出来。氧原子以O2或H2O的形式被去除时，材料上留下的多余电子被困在特定的位置（例如氧空位）中，并在带隙中产生新的缺陷态。这一过程在能量上是非常昂贵的，因此这些非还原氧化物是高度化学计量，稳定和化学惰性的。相反可还原氧化物的特点是能够以相对容易的方式交换氧气。这是因为材料上可用的空态由阳离子d轨道组成，相对于VB来说，阳离子d轨道的能量不太高。这些氧化物通常具有半导体特性，带隙<3eV。氧的去除导致多余的电子在阳离子空能级上重新分布，从而将它们的氧化状态从Mn转变为M(n−1)。过渡金属氧化物，如TiO2、WO3、NiO、Fe2O3、CeO2 、Co3O4等。

 即Mars and van Krevelen机理：指反应过程为反应物与催化剂晶格氧离子反应的机理。第一步是反应物与催化剂产生氧空位被还原。第二步是催化剂被解离吸附的氧补充氧缺位而重新氧化，得以再生。由于第一步是氧化物催化剂被还原，第二步催化剂被氧化，这种机理也被称为氧化还原机理。