暴露不同晶面的二氧化钛纳米晶体，由于其不同的表面反应性能，在多相光催化和光电领域引起了广泛的关注。众所周知，纳米晶体的表面原子排布和晶体取向与催化反应晶面以及反应位点之间的空间电荷分离密切相关，确定半导体纳米晶体的晶体取向和暴露晶面是评价其晶面在多相光催化中作用的首要步骤。然而，文献中对二氧化钛纳米晶体的取向和晶面报道经常出现相互矛盾的结论。

（来源：Advanced Materials）

近日， 中科院大连化物所李仁贵研究员及李灿院士团队 以暴露高比例{001}晶面的锐钛矿二氧化钛纳米晶体为例，利用透射电子显微镜对其晶体取向和暴露晶面进行了详细的分析，发现{001}晶面和{111}晶面由于在晶格间距和晶面夹角上的相似性（[001]方向0.38 nm和90°、[111]方向0.35 nm和82°）很难区分，从而导致很多报道中两种晶面混合存在。作者分别得到了暴露两种不同晶面的二氧化钛纳米片并对其光催化水分解性能进行了比较，发现{001}晶面的光催化产氢和产氧性能均高于{111}晶面。除此之外，作者还提出了一种基于透射电子显微镜分析的晶体取向和暴露晶面的方法，适用于所有具有规则形貌的纳米晶体，相关成果以“Determination of Crystallographic Orientation and Exposed Facets of Titanium Oxide Nanocrystals”为题发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202203320）。

前沿科研成果

文章亮点：

1. 以暴露高比例{001}晶面的锐钛矿二氧化钛纳米晶体为例，从HRTEM图像、FFT图像及NBD衍射图像对其晶体取向和暴露晶面进行了详细的分析，发现{001}晶面和{111}晶面由于在晶格间距和晶面夹角上的相似性（[001]方向0.38 nm和90°，[111]方向0.35 nm和82°）很难区分，从而导致很多报道中两种晶面混合存在。

2. 针对具有相似形貌和晶格参数的纳米晶体，作者提供了一种确定晶体取向和暴露晶面的范式，即根据晶体取向建立三维坐标轴，依据暴露晶面在三维坐标系中的空间位置确定晶面指数，广泛适用于具有规则形貌的纳米晶体材料。

图文解析：

暴露高比例{001}晶面和{111}晶面的纳米片几何形貌非常相似，因此很容易混淆。不仅如此，在利用TEM对其进行表征时，沿[001]方向和[111]方向的高分辨图像和衍射图像也十分相近，晶面间距和晶面夹角上的细小的差别需要仔细分辨。

（来源：Advanced Materials）

图1. 分别暴露{001}和{111}晶面的二氧化钛纳米片几何形貌、原子排布及标准衍射图谱。

作者分别对两种暴露不同晶面的二氧化钛纳米片进行了仔细分析，并给出了分析晶体取向和暴露晶面确定的具体过程。

（来源：Advanced Materials）

图2. 分别暴露{001}和{111}晶面的二氧化钛纳米片的HRTEM图像、FFT图像、HADDF图像以及滤波后的原子像。

（来源：Advanced Materials）

图3. 二氧化钛纳米片上的纳米束衍射图像，对两种暴露不同晶面的二氧化钛纳米片的光催化性质进行了比较，包括吸光范围、能带结构以及光催化水分解产氢和产氢性能等。

（来源：Advanced Materials）

图4. 暴露不同晶面的二氧化钛光催化性质比较。

作者利用TEM表征了暴露高比例{001}和{111}晶面的二氧化钛纳米片，并阐明了晶面在光催化中的实际作用。作者澄清了广泛报道的TiO2-001纳米晶体不仅存在暴露高比例{001}晶面的纳米片，而且由于两种晶面在利用TEM表征时晶格条纹和晶面夹角上的相似性，使得暴露高比例{111}晶面的纳米片难以分辨出来。针对具有相似形貌和晶格参数的纳米晶体，作者提供了一种确定晶体取向和暴露晶面的范式，即根据晶体取向建立三维坐标轴、依据晶面在三维坐标系中的空间位置确定晶面指数。这种范式适用于多面体纳米晶体材料，为揭示光催化等相关领域的实际表面性质奠定了坚实的基础。

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