光催化可实现太阳能到化学能的转化（如光催化分解水制氢），是获得新能源的一个重要途径。发展可有效吸收可见光（波长为400-700nm）的光催化材料是实现高效太阳能光催化转化的前提，然而多数稳定的光催化材料的可见光吸收低。掺杂能够缩小光催化材料的带隙，是增加光催化材料可见光吸收的基本手段。锐钛矿TiO₂是研究最为广泛的光催化材料，目前利用掺杂手段在一定程度上增加了该材料的可见光吸收，但仍无法实现全谱强吸收。

2004年以来，中科院金属所沈阳材料科学国家（联合）实验室一直致力于解决宽带隙光催化材料的可见光全谱强吸收的难题。前期的系列研究揭示掺杂原子的空间分布是决定掺杂能否缩小带隙的本质因素，即表面掺杂只能在带隙中引入局域化能级，体相掺杂可缩小带隙。并提出利用层状结构来实现掺杂原子在体相的均相分布的思路，增加光催化材料的可见光吸收。然而如何在非层状结构材料如TiO₂中实现掺杂原子的体相掺杂一直未获突破。最近该实验室提出利用间隙原子弱化金属原子与氧（M-O）的键合实现替代晶格氧的掺杂原子进入体相的新机制，获得了梯度掺杂的锐钛矿TiO₂，实现了可见光全谱强吸收，将TiO₂光电解水产氢的活性光响应范围拓展至700nm。

掺杂阴离子难以进入金属氧化物体相本质上是由M-O键的高键能以及掺杂离子与替代晶格离子间的电荷差异造成的。他们通过先期发展的“掺杂剂与前躯体合而为一”的特色制备思路，以TiB₂晶体为前驱体，通过水热及后续的热处理过程获得了间隙硼掺杂的锐钛矿TiO₂微米球，并且硼在从球表面至体相厚约50nm的范围内呈现梯度分布。理论研究表明间隙B^σ+（σ ≤ 3）离子可有效弱化周围的Ti-O键，使得N替代弱化后的Ti-O键的晶格氧所需的能量显著降低，且间隙B^σ+的存在提高了N掺杂TiO₂的稳定性。实验发现在氨气气氛下热处理梯度间隙B^σ+掺杂的锐钛矿TiO₂，不仅N^3-可有效替代晶格氧，而且N^3-的空间分布与间隙B^σ+保持一致，呈现类似的梯度分布，表明间隙B^σ+对N掺杂的空间分布起到了关键的导向作用，其根源在于B^σ+对周围的Ti-O键的弱化，使得N^3-选择性替代体相中被弱化的Ti-O键中的氧。同时间隙B^σ+贡献出的额外电子可有效补偿N^3-与O^2-之间的电荷差异。

所获得的B/N梯度共掺杂锐钛矿TiO₂材料呈现出独特的红色（图a），在可见光全谱范围内具有高的吸光率（图b），光催化性能研究表明此材料的光电解水产氢活性响应范围接近700nm。该结果预示有可能利用TiO₂基光催化材料来实现高效可见光分解水制氢。

图a：红色TiO₂的照片；图b：红色和白色TiO₂的紫外-可见吸收光谱。

该工作对于如何基于掺杂实现宽带隙光催化材料的可见光吸收提供了一种新思路，可用于发展高性能可见光光催化材料。研究结果已发表在Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 3233-3238、Energy & Environmental Science 2012, DOI:10.1039/C2EE22930G（online）。该工作得到了国家自然科学基金委重大研究项目、科技部973项目和中科院“太阳能行动计划”的资助。