你想了解的--氧空位（Ov）

在催化、能源等前沿科研领域的文献中，“氧空位（Ov）”是一个高频出现且备受关注的术语。

跟我一起来了解氧空位（Ov）吧~

什么是氧空位？

从微观结构的角度来看，当金属氧化物处于特定的外界环境，比如高温条件时，晶格中的氧原子会获得足够的能量而脱离原本的位置，进而导致氧原子缺失，这种缺失状态所形成的缺陷就是氧空位。可以将其简单理解为，金属氧化物晶格中脱去一个氧原子后留下的空缺。

对于金属氧化物体系，氧空位属于点缺陷的一种类型。由于金属氧化物中除氧之外的其他元素电负性通常小于氧，在氧原子脱离后，相当于从体系中取走一个氧原子的同时产生了两个带正电的电子-空穴。在多数情况下，如果这两个电子-空穴被束缚在氧空位所在位置，那么氧空位就会呈现出带正电的特性。

氧空位的作用

1、调控电子结构：

能够对金属氧化物的电子结构进行精准调控，改变其电子分布和能带结构。

• 通过引入缺陷能级，缩小半导体的带隙，增强光吸收（如光催化中的TiO₂）；

• 改变金属中心的氧化态（如Ce³⁺/Ce⁴⁺的氧化还原循环），促进电子转移。

  
  

2、提供活性位点：

可作为催化反应中的活性位点，为化学反应提供有利的反应场所。

• 氧空位可作为吸附位点，活化反应物（如CO₂、H₂O、O₂），降低反应能垒。

• 在CO₂还原中，氧空位促进CO₂的吸附和活化；在OER（析氧反应）中，优化中间体（如*OOH）的吸附强度。

  
  

3、引入额外能级：

在材料内部引入额外的能级，拓展材料的电子跃迁通道，在光电转换等应用中具有潜在价值。

4、增强稳定性：

抑制催化剂表面中毒（如抗积碳），延缓结构坍塌。

5、诱导表面重构：

促进活性晶面的暴露（如TiO₂的{001}面）或形成亚稳相（如非晶-晶界结构）。

6、特定反应点在催化过程中，充当某些分子的特定反应点，例如能够促使附着在材料表面的氧气转化为超氧自由基，推动氧化还原反应的进行。

如何表征氧空位？

1、电子顺磁共振（EPR）光谱

材料表面未配对电子的指纹信息是氧空位存在的信号特征。通常情况下，含有氧空位的材料其g值约为2.00，可依此直接表征氧空位的存在及浓度。

2、基于同步辐射的X射线吸收精细结构(XAFS)光潽学

该技术能够提供丰富的结构信息，包括氧化态、键的长度和类型以及原子配位数等。通过分析迁移的相邻配位原子的距离及其峰值强度，还可以定性评估材料的缺陷水平。

3、正电子湮灭寿命光谱法（PALS）

利用正电子与材料中的电子相互作用的原理，对材料中的缺陷进行分析，可用于探测氧空位的存在和性质。

4、X射线光电子能谱（XPS）

由于氧空位等缺陷的存在会改变材料的键合能量，检测O 1s峰，氧空位对应低结合能峰（~529-531 eV）；金属价态变化反映电子结构调控。

5、拉曼光谱（Raman）

材料中的缺陷，尤其是金属氧化物中的缺陷会改变其振动模式入导致拉曼位移或产生新的峰值，氧空位引起晶格畸变，导致特征峰位移或新峰出现（如TiO₂中~144 cm⁻¹峰的宽化）。

6、扫描透射电子显微镜（STEM）

可实现对材料微观结构的高分辦率成像，直观观察到氧空位等缺陷在晶格中的分布情况，结合EELS（电子能量损失谱）分析局部氧缺失。

7、密度函数理论（DFT）计算

模拟氧空位形成能、电子结构及催化路径，辅助实验数据解析。

如何构筑氧空位？

1、高温还原法

通过固态和湿化学氧化还原反应形成：前者是在高温下使用气态或固态还原剂（如H2、NH3、S、石墨烯、CaH2、NaH、LiH），后者是在室温下或通过水热法在液相中使用合适的还原剂（如 NaBH4）。在氧化还原反应过程中，金属氧化物中阳离子的氧化态降低，根据晶体的电荷中性形成氧空位。

适用材料：TiO₂、CeO₂、Co₃O₄等，但需控制温度避免过度还原导致结构破坏

2、掺杂诱导法

氧空位可通过阳离子掺杂和阴离子掺杂在金属氧化物中产生。许多文献显示，通过掺杂氧化态较低或氧空位形成能较低的阳离子，可以增加金属氧化物中的氧空位。引入低价金属（如Fe³⁺掺杂TiO₂），通过电荷补偿机制生成氧空位。

优势：空位浓度可控，且掺杂元素可能协同提升催化活性。

3、等离子体处理

将金属氧化物置于高能离子（Ar+、N2+、H20+）轰击下，也可在其表面产生氧空位。由于金属氧化物受到高能离子的轰击，因此会产生氧空位虽然对其机理还不是很清楚，但等离子处理已被证明是产生氧空位的一种快速有效的方法。

特点：快速、非热平衡过程，适用于表面氧空位构筑。

4、高温燃烧

在火焰燃烧过程中，燃烧器火焰的内核缺氧，为氧空位的生成提供了还原和高温（约1000°C）环境。加热速度极快，在不到1分钟的时间内就产生了氧空位。在如此短的处理时间内，金属氧化物的形态和结晶度基本保持不变。火焰还原条件可通过改变火焰温度和火焰燃料/空气的比例进行调节，从而使氧空位的引入可控。