Ti2O3：合成百年来，首篇综述

近期，Ti₂O₃由于其独特的物理性质和功能应用受得了大家的广泛关注。毫无疑问，TiO₂之前是钛氧化物家族最受关注的成员，自从1972年在TiO₂中发现光催化性能以来，关于其合成、性质与应用等方面的研究在几十年间井喷了数以万计的文章。而早在1921年就已经合成的Ti₂O₃，相比之则研究甚少。关于Ti₂O₃，上世纪的研究热点主要集中在其奇特的金属—绝缘体转变性质（F.J. Morin, Phys. Rev. Lett. 3 34 (1959); M. Uchida, et al. Phys. Rev. Lett. 101, 066406 (2008); C. Chang, et al. Phys. Rev. X 8, 021004 (2018)），但直到如今该物理过程的转变机理及其电子结构演化仍不清楚。最近几年，随着Ti₂O₃高质量纳米颗粒与外延膜的成功制备，该体系呈现出多种新奇的物理（量子）性质，立即得到了物理和材料领域研究者的关注。

Ti₂O₃与TiO₂的最大区别在于：Ti₂O₃中Ti³⁺具有一个未配对的3d¹电子(半满的3d轨道)，而且其3d电子之间的库伦相互作用不容忽视，使其在室温打开了一个~0.1 eV左右的带隙，成为典型的强关联莫特绝缘体（Mott insulator）体系（M. Uchida, et al. Phys. Rev. Lett. 101, 066406 (2008); Y. Li, et al. Nat. Commun. 10, 3149 (2019)）。而TiO₂中Ti 3d轨道全空，与全满的O 2p轨道组成了其能带的导带底和价带顶，且之间具有~3.2 eV的带隙，使其成为一种典型的宽禁带半导体（Semiconductor）。Ti₂O₃与TiO₂电子结构的差异，造就了它们迥异的物理性质，包括电学、光学、磁学等等；材料性质的不同，使它们具有了不同的功能应用。

近日，山东大学李洋洋教授（点击查看介绍）课题组从Ti₂O₃的合成、晶体结构、电子结构、物理性质和功能应用等方面进行了综述报道，这是该材料合成100年以来的第一篇综述文章。图1整理了自1921年Ti₂O₃合成以来，重要研究节点的发展时间线。Ti₂O₃凭借其超窄的带隙（0.1 eV）呈现出广阔的吸光范围（UV-Mid infrared）（Y. Li, et al. Chem. Mater. 30, 4383-4392 (2018)）和高效的光热转换效率，在室温长波中红外探测（X. Yu*, Y. Li*, et al. Nat. Commun. 9, 4299 (2018)）和光热海水淡化（J. Wang*, Y. Li*, et al, Adv. Mater. 29, 1603730 (2017)）等方面具有巨大的应用潜力。另外，其电催化固氮的能力被证实（H. Chen, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 41715 (2021)），期待进一步研究。利用外延膜生长技术，Ti₂O₃的多个同质异构体被人工合成，晶相依赖的电子结构、磁性、超导、电催化活性等性质也相继被实验发现（Y. Li, et al. Nat. Commun. 10, 3149 (2019); Y. Li, et al. Adv. Funct. Mater. 28, 1705657 (2018); Y. Li, et al. NPG Asia Mater. 10, 522 (2018)）。

图1

图2整理了Ti₂O₃在光热领域（光热水蒸发、光热脱氢和光热肿瘤治疗）、光探测领域和能量转换存储领域（电催化固氮、电催化产氢、锂离子电池）的应用，综述正文中也对其进行了详细介绍。最后，作者对Ti₂O₃的未来研究方向进行了展望，期待“Ti₂O₃”这颗冉冉升起的新星，在不久的将来大放异彩。

图2

此工作作为 Ti₂O₃ 材料的第一篇综述，为该材料之后的进一步发展提供了全面的指导和研究思路。成果近期发表在国际知名期刊 Advanced Functional Materials 上，文章的第一兼通讯作者是山东大学物理学院李洋洋教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Recent Progress on Titanium Sesquioxide: Fabrication, Properties, and Applications

Yangyang Li*, Yangyu Zhu, Mingzheng Wang, Mingwen Zhao, Junmin Xue, Jingsheng Chen, Tom Wu, Scott A. Chambers

Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202203491

作者简介

李洋洋，男，汉族，1988年4月生，博士，教授、博士生导师，山东大学齐鲁青年学者（第一层次）。主要从事电子强关联氧化物的新奇（量子）物性和功能应用的研究。2011年山东大学物理学院本科毕业，于2013年和2016年在King Abdullah University of Science and Technology获得硕士和博士学位。随后在新加坡国立大学和韩国首尔国立大学做博士后研究员，2021年3月回国入职山东大学物理学院。近五年共发表SCI论文30余篇，以第一作者发表Nature Communications (2篇)，Advanced Materials (2篇), Advanced Functional Materials (2篇), NPG Asia Materials, Chemistry of Materials等高水平期刊论文10余篇，总被引1800余次，第一作者文章单篇最高被引600余次。研究成果多次被Nat. Rev. Mater., Nat. Nanotech., Nat. Commun., Phys. Rev. Lett., Sci. Adv., Adv. Mater., Chem. Rev.等顶级期刊正面引用。课题组的主要研究方向以凝聚态物理和材料学为主，以研究“功能氧化物及量子材料”为核心，深入研究新型（氧化物）量子材料及其功能应用。

课题组正在组建中，热烈欢迎有志从事科研工作的硕士及博士研究生、博士后及助理研究员到课题组学习工作。欢迎具有物理、材料或无机化学背景的同学报考，课题组每年拟招收硕士生3-4名，博士生1名，博士后不限。课题组与沙特阿卜杜拉国王科技大学、新加坡国立大学、新加坡南洋理工大学、新加坡同步辐射光源、韩国首尔国立大学、日本东京大学、美国西北太平洋国家实验室、美国阿贡国家实验室等国内外顶级课题组具有紧密的合作关系，可推荐在读学生或毕业生前往交流学习及攻读学位。欢迎咨询与指导（yangyang.li@sdu.edu.cn）。

个人主页：

https://faculty.sdu.edu.cn/liyangyang/zh_CN/index.htm    

实验室主页：

https://www.x-mol.com/groups/li_yangyang