Engineering vacancies for solar photocatalytic applications

doi:10.1016/S1872-2067(17)62821-3

Abstract

Abstract:

In contrast to the exploration of novel photocatalytic materials, vacancy engineering of traditional photocatalysts comprising earth-abundant elements represents an effective method for enhancing photocatalytic performance without introducing alien elements. This minireview analyzes the latest progress in engineering vacancies in photocatalysts, remarks on state-of-the-art characterization techniques for vacancies, and reviews the formation chemistry and fundamental benefits of anion and cation vacancies in typical photocatalysts. Although knowledge of these vacancies is increasing, challenges remain in this field, and possible further research is therefore also discussed.

Key words: Oxygen vacancy, Hydrogenated treatment, Photocatalysis, Chemisorption, Titanium vacancy

Mingce Long, Longhui Zheng. Engineering vacancies for solar photocatalytic applications[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(4): 617-624.

×
share this article

Add to citation manager EndNote|Ris|BibTeX

URL: https://www.cjcatal.com/EN/10.1016/S1872-2067(17)62821-3

https://www.cjcatal.com/EN/Y2017/V38/I4/617

References

[1] G. Liu, J. C. Yu, G. Q. Lu, H. M. Cheng, Chem. Commun., 2011, 47, 6763-6783.
[2] A. Kubacka, M. Fernandez-Garcia, G. Colon, Chem. Rev., 2012, 112, 1555-1614.
[3] H. J. Li, Y. Zhou, W. G. Tu, J. H. Ye, Z. G. Zou, Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 998-1013.
[4] X. P. Chen, Z. X. Zhang, L. N. Chi, A. K. Nair, W. F. Shangguan, Z. Jiang, Nano-Micro. Lett., 2016, 8, 1-12.
[5] A. Kudo, H. Kato, I. Tsuji, Chem. Lett., 2004, 33, 1534-1539.
[6] U. Diebold, Surf. Sci. Rep., 2003, 48, 53-229.
[7] G. S. Li, L. P. Li, J. Zheng, Sci. China Chem., 2011, 54, 876-886.
[8] F. Esch, S. Fabris, L. Zhou, T. Montini, C. Africh, P. Fornasiero, G. Comelli, R. Rosei, Science, 2005, 309, 752-755.
[9] Y. Kang, Q. Leng, D. L. Guo, D. Z. Yang, Y. P. Pu, C. G. Hu. Nano-Micro Lett., 2015, 7, 2150.
[10] H. Fujiwara, H. Hosokawa, K. Murakoshi, Y. Wada, S. Yanagida, T. Okada, H. Kobayashi, J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 8270-8278.
[11] H. Fujiwara, H. Hosokawa, K. Murakoshi, Y. Wada, S. Yanagida, Langmuir, 1998, 14, 5154-5159.
[12] I. Nakamura, N. Negishi, S. Kutsuna, T. Ihara, S. Sugihara, E. Takeuchi, J. Mol. Catal. A, 2000, 161, 205-212.
[13] X. B. Chen, L. Liu, P. Y. Yu, S. S. Mao, Science, 2011, 331, 746-750.
[14] G. M. Wang, H. Y. Wang, Y. C. Ling, Y. C. Tang, X. Y. Yang, R. C. Fitzmorris, C. C. Wang, J. Z. Zhang, Y. Li, Nano Lett., 2011, 11, 3026-3033.
[15] Y. H. Hu, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 12410-12412.
[16] X. Y. Zhang, Z. Zhao, W. W. Zhang, G. Q. Zhang, D. Qu, X. Miao, S. R. Sun, Z. C. Sun, Small, 2016, 12, 793-801.
[17] M. C. Long, P. D. Hu, H. D. Wu, Y. Y. Chen, B. H. Tan, W. M. Cai, J. Mater. Chem. A, 2015, 3,5592-5598.
[18] M. C. Long, P. D. Hu, H. D. Wu, J. Cai, B. H. Tan, B. X. Zhou, Appl. Catal. B, 2016, 184, 20-27.
[19] J. Li, Y. Yu, L. Zhang, Nanoscale, 2014, 6, 8473-8488.
[20] P. Niu, L. C. Yin, Y. Q. Yang, G. Liu, H. M. Cheng, Adv. Mater., 2014, 26, 8046-8052.
[21] X. L. Wang, W. Q. Fang, Y. F. Yao, P. R. Liu, Y. Wang, H. M. Zhang, H. J. Zhao, H. G. Yang, RSC Adv., 2015, 5, 21430-21433.
[22] P. Niu, G. Liu, H. M. Cheng, J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 11013-11018.
[23] G. H. Dong, W. K. Ho, C. Y. Wang, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 23435-23441.
[24] M. L. Guan, C. Xiao, J. Zhang, S. J. Fan, R. An, Q. M. Cheng, J. F. Xie, M. Zhou, B. J. Ye, Y. Xie, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 10411-10417.
[25] J. Wang, W. J. Jiang, D. Liu, Z. Wei, Y. F. Zhu, Appl. Catal. B, 2015, 176, 306-314.
[26] S. B. Wang, L. Pan, J. J. Song, W. B. Mi, J. J. Zou, L. Wang, X. W. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2975-2983.
[27] M. K. Nowotny, P. Bogdanoff, T. Dittrich, S. Fiechter, A. Fujishima, H. Tributsch, Mater. Lett., 2010, 64, 928-930.
[28] S. N. Li, G. H. Dong, R. Hailili, L. P. Yang, Y. X. Li, F. Wang, Y. B. Zeng, C. Y. Wang, Appl. Catal. B, 2016, 190, 26-35.
[29] Q. H. Liang, Z. Li, Z. H. Huang, F. Y. Kang, Q. H. Yang, Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 6885-6892.
[30] Q. P. Wu, F. Huang, M. S. Zhao, J. Xu, J. C. Zhou, Y. S. Wang, Nano Energy, 2016, 24, 63-71.
[31] M. K. Nowotny, L. R. Sheppard, T. Bak, J. Nowotny, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 5275-5300.
[32] X. Y. Pan, M. Q. Yang, X. Z. Fu, N. Zhang, Y. J. Xu, Nanoscale, 2013, 5, 3601-3614.
[33] J. Nowotny, M. Abdu, T. Bak, M. A. Idris, M. Ionescu, K. Prince, M. Z. Sahdan, K. Sopian, M. A. M. Teridi, W. Sigmund, Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 8424-8442.
[34] H. N. Cui, H. Liu, J. Y. Shi, C. Wang, Int. J. Photoenergy, 2013, 364802/1-364802/17.
[35] L. J. Zhang, S. Wang, C. Lu, Anal. Chem., 2015, 87, 7313-7320.
[36] D. A. Wheeler, Y. C. Ling, R. J. Dillon, R. C. Fitzmorris, C. G. Dudzik, L. Zavodivker, T. Rajh, N. M. Dimitrijevic, G. Millhauser, C. Bardeen, Y. Li, J. Z. Zhang, J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 26821-26830.
[37] M. Kong, Y. Z. Li, X. Chen, T. T. Tian, P. F. Fang, F. Zheng, X. J. Zhao, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 16414-16417.
[38] X. W. Liu, K. B. Zhou, L. Wang, B. Y. Wang, Y. D. Li, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 3140-3141.
[39] C. Di Valentin, G. Pacchioni, A. Selloni, S. Livraghi, E. Giamello, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 11414-11419.
[40] H. Q. Tan, Z. Zhao, M. Niu, C. Y. Mao, D. P. Cao, D. J. Cheng, P. Y. Feng, Z. C. Sun, Nanoscale, 2014, 6, 10216-10223.
[41] H. Q. Tan, Z. Zhao, W. B. Zhu, E. N. Coker, B. S. Li, M. Zheng, W. X. Yu, H. Y. Fan, Z. C. Sun, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 19184-19190.
[42] Z. Zhao, X. Y. Zhang, G. Q. Zhang, Z. Y. Liu, D. Qu, X. Miao, P. Y. Feng, Z. C. Sun, Nano Res., 2015, 8, 4061-4071.
[43] X. J. Wang, Y. Zhao, F. T. Li, L. J. Dou, Y. P. Li, J. Zhao, Y. J. Hao, Sci. Rep., 2016, 6, 24918.
[44] M. C. Long, Y. L. Qin, C. Chen, X. Y. Guo, B. H. Tan, W. M. Cai, J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 16734-16741.
[45] N. Zhang, X. Y. Li, H. C. Ye, S. M. Chen, H. X. Ju, D. B. Liu, Y. Lin, W. Ye, C. M. Wang, Q. Xu, J. F. Zhu, L. Song, J. Jiang, Y. J. Xiong, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 8928-8935.
[46] D. C. Cronemeyer, Phys. Rev., 1959, 113, 1222-1226.
[47] H. Liu, T. A. Ma, X. Z. Li, W. Z. Li, M. Wu, X. H. Bao, Chemosphere, 2003, 50, 39-46.
[48] A. P. Singh, N. Kodan, A. Dey, S. Krishnamurthy, B. R. Mehta, Int. J. Hydrogen Energy, 2015, 40, 4311-4319.
[49] G. M. Wang, Y. C. Ling, H. Y. Wang, X. Y. Yang, C. C. Wang, J. Z. Zhang, Y. Li, Energy Environ. Sci., 2012, 5, 6180-6187.
[50] Z. K. Zheng, B. B. Huang, J. B. Lu, Z. Y. Wang, X. Y. Qin, X. Y. Zhang, Y. Dai, M. H. Whangbo, Chem. Commun., 2012, 48, 5733-5735.
[51] L. C. Wang, Y. Wang, Y. Cheng, Z. F. Liu, Q. S. Guo, M. N. Ha, Z. Zhao, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 5314-5322.
[52] A. Naldoni, M. Allieta, S. Santangelo, M. Marelli, F. Fabbri, S. Cappelli, C. L. Bianchi, R. Psaro, V. Dal Santo, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 7600-7603.
[53] X. Y. Pan, Y. J. Xu, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 1879-1886.
[54] B. Han, W. Wei, L. Chang, P. F. Cheng, Y. H. Hu, ACS Catal., 2016, 6, 494-497.
[55] B. Han, Y. H. Hu, J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 18927-18934.
[56] N. J. Lawrence, J. R. Brewer, L. Wang, T. S. Wu, J. Wells-Kingsbury, M. M. Ihrig, G. H. Wang, Y. L. Soo, W. N. Mei, C. L. Cheung, Nano Lett., 2011, 11, 2666-2671.
[57] D. Jiang, W. Z. Wang, E. P. Gao, S. M. Sun, L. Zhang, Chem. Commun., 2014, 50, 2005-2007.
[58] J. J. Wang, J. Y. Feng, L. Zhang, Z. S. Li, Z. G. Zou, Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 15375-15380.
[59] A. Dabirian, R. van de Krol, Appl. Phys. Lett., 2013, 102, 033905/1-033905/4.
[60] J. L. Chen, Z. H. Hong, Y. L. Chen, B. Z. Lin, B. F. Gao, Mater. Lett., 2015, 145, 129-132.
[61] S. J. Li, X. Chen, S. Z. Hu, Q. Li, J. Bai, F. Wang, RSC Adv., 2016, 6, 45931-45937.
[62] H. Q. Ma, Z. Y. Shi, S. Li, N. Liu, Appl. Surf. Sci., 2016, 379, 309-315.
[63] G. Liu, L. Z. Wang, H. G. Yang, H. M. Cheng, G. Q. Lu. J. Mater. Chem., 2010, 20, 831-843.
[64] H. Shi, M. H. Du, Phys. Rev. B, 2014, 90, 174103/1-174103/6.
[65] T. Bak, M. K. Nowotny, L. R. Sheppard, J. Nowotny, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 13248-13257.
[66] J. Nowotny, T. Bak, M. K. Nowotny, L. R. Sheppard, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 18492-18495.
[67] C. H. Sun, T. Liao, G. Q. Lu, S. C. Smith, J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 2477-2482.
[68] M. K. Nowotny, T. Bak, J. Nowotny, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 16302-16308.
[69] M. Radecka, M. Rekas, J. Am. Ceram. Soc., 2002, 85, 346-354.
[70] M. K. Nowotny, T. Bak, J. Nowotny, C. C. Sorrell, Phys. Stat. Sol. (B), 2005, 242, R88-R90.
[71] J. A. Wang, R. Limas-Ballesteros, T. Lopez, A. Moreno, R. Gomez, O. Novaro, X. Bokhimi, J. Phys. Chem. B, 2001, 105, 9692-9698.
[72] J. Y. Cao, Y. J. Zhang, L. Q. Liu, J. H. Ye, Chem. Commun., 2013, 49, 3440-3442.
[73] I. E. Grey, N. C. Wilson, J. Solid. State. Chem., 2007, 180, 670-678.
[74] L. Pan, S. B. Wang, W. B. Mi, J. J. Song, J. J. Zou, L. Wang, X. W. Zhang, Nano Energy, 2014, 9, 71-79.
[75] R. A. He, S. W. Cao, P. Zhou, J. G. Yu, Chin. J. Catal., 2014, 35, 989-1007.
[76] Y. Y. Zhu, Q. Ling, Y. F. Liu, H. Wang, Y. F. Zhu, Appl. Catal. B, 2016, 187, 204-211.
[77] J. Xu, Y. R. Teng, F. Teng, Sci. Rep., 2016, 6, 32457.
[78] C. J. Zhang, A. Michaelides, D. A. King, S. J. Jenkins, Phys. Rev. B, 2009, 79, 075433/1-075433/11.