Disentangling the Contribution of Surface and Bulk Ti3+ Defects to the Band Gap States of Rutile TiO2(011)

金红石 带隙 材料科学 表面状态 曲面(拓扑) 原子物理学 结晶学 凝聚态物理 物理 化学 光电子学 几何学 数学 有机化学
作者
Yajie Gao,Kai-Ping Wang,Tianjun Wang,Shucai Xia,Qunqing Hao,Zhiqiang Wang,Bo Wen,Zefeng Ren,Xueming Yang,Annabella Selloni,Chuanyao Zhou
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
卷期号:5 (4): 1822-1832 被引量:4
标识
DOI:10.1021/jacsau.5c00075
摘要

Band gap states (BGS) induced by Ti3+ defects play a pivotal role in the physical and chemical properties of TiO2. However, there is no consensus on the relative contributions of surface and bulk Ti3+ defects to the BGS measured by ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS). This is mainly due to the lack of vertical spatial resolution of UPS and limitations in the preparation and quantitative characterization of bulk Ti3+ defects. In this study, we create surface and bulk Ti3+ defects in a controllable way by introducing surface and bulk hydroxyls into rutile TiO2(011)-(2 × 1) via atomic deuterium exposure. Utilizing UPS combined with density functional theory (DFT) calculations, we successfully disentangled the contributions of surface and bulk Ti3+ defects to the BGS. The UPS data indicate that surface and bulk Ti3+ defects give rise to BGS at binding energies of approximately 0.85 and 1.57 eV, respectively. DFT calculations reveal that the separation of surface and bulk BGS originates from the distinct atomic environments of surface and bulk Ti3+ ions that induce characteristic 3d orbital splittings. Our finding that the surface and bulk Ti3+(OH) states are separated in energy could provide a fingerprint for the in situ monitoring of metal-support interactions and hydrogenation reactions in heterogeneous catalysis.
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