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Localized Excitation of Ti3+ Ions in the Photoabsorption and Photocatalytic Activity of Reduced Rutile TiO2

化学 激发态 金红石 密度泛函理论 电子结构 带隙 离子 原子物理学 费米能级 原子轨道 可见光谱 激发 光化学 计算化学 材料科学 物理 光电子学 有机化学 量子力学 电子
作者
Zhiqiang Wang,Bo Wen,Qunqing Hao,Limin Liu,Chuanyao Zhou,Xinchun Mao,Xiufeng Lang,Wen‐Jin Yin,Dongxu Dai,Annabella Selloni,Xueming Yang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:137 (28): 9146-9152 被引量:210
标识
DOI:10.1021/jacs.5b04483
摘要

In reduced TiO2, electronic transitions originating from the Ti(3+)-induced states in the band gap are known to contribute to the photoabsorption, being in fact responsible for the material's blue color, but the excited states accessed by these transitions have not been characterized in detail. In this work we investigate the excited state electronic structure of the prototypical rutile TiO2(110) surface using two-photon photoemission spectroscopy (2PPE) and density functional theory (DFT) calculations. Using 2PPE, an excited resonant state derived from Ti(3+) species is identified at 2.5 ± 0.2 eV above the Fermi level (EF) on both the reduced and hydroxylated surfaces. DFT calculations reveal that this excited state is closely related to the gap state at ∼1.0 eV below EF, as they both result from the Jahn-Teller induced splitting of the 3d orbitals of Ti(3+) ions in reduced TiO2. Localized excitation of Ti(3+) ions via 3d → 3d transitions from the gap state to this empty resonant state significantly increases the TiO2 photoabsorption and extends the absorbance to the visible region, consistent with the observed enhancement of the visible light induced photocatalytic activity of TiO2 through Ti(3+) self-doping. Our work reveals the physical origin of the Ti(3+) related photoabsorption and visible light photocatalytic activity in prototypical TiO2 and also paves the way for the investigation of the electronic structure and photoabsorption of other metal oxides.
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