金属氧化物是一种非常重要的材料，广泛应用于催化、电池和导电技术等领域。这些材料的性能与其内部结构息息相关，尤其是“氧空位”这一缺陷。氧空位就如金属氧化物材料中的小缺口，缺少了一个氧原子。这种缺陷对金属氧化物的物理和化学性质有着重要影响，氧空位可以改变材料的电子结构，使得材料表现出不同的导电性、光学特性和催化活性。

 

在过去，制造这些氧空位的方法易导致这些小缺口在材料里随机分布，从而影响金属氧化物的表现，使其在使用时不够稳定或不可预测，限制了其更广泛的应用。

 

近年来，科学家们已经能够在一些颗粒表面或者薄膜材料中实现氧空位的有序排列。然而，如何在宏观块体材料中构筑稳定的有序氧空位，仍然面临着巨大的挑战。随着相关技术的不断发展，有序氧空位的精准构筑已成为材料科学研究的前沿方向。

 

近日，北京科技大学、甬江实验室陈克新研究员团队与合作者在长期深入研究的基础上，提出了热激活耦合电场处理的新思路，成功地在三元SrAl₂O₄、二元TiO₂及其他常见氧化物材料的块状晶体中高效生成了有序的氧空位，赋予了这类材料高性能。相关研究成果近日在国际综合性期刊Nature Materials 发表。

 

 

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02171-4

 

精准构筑有序的氧空位，陈克新团队找到了一种简便且通用的方法，即通过将热激活与同时施加的电场相结合（记为ET处理，其中“E”代表电场，“T”代表热激活），能在极短时间内于块状氧化物晶体中生成有序的氧空位。这一方法主要适用于制作长余辉发光材料的三元氧化物SrAl₂O₄和用于锂电池储能的二元氧化物TiO₂。

 

 

(a) ET处理工艺示意图

 

(b)处理得到SrAl₂O₄中的有序氧空位结构

 

通过使用先进的成像技术和计算机模拟，该团队发现用电场可以有效控制氧空位的形成。具体来说，在SrAl₂O₄这种材料中，如果已经有部分位置缺少氧原子，那么施加电场后，这些位置更容易形成有规律的氧空位。而且，经过ET处理的SrAl₂O₄材料在停止激发后的1小时里发出的光强度比未处理的样品强3.6倍，大大降低了材料从无序状态转变到有序状态所需的能量，使得材料性能更佳。

图2. ET处理后的SrAl2O4的长余辉发光性能

 

对于TiO₂这种材料，ET处理也显示出了显著的优势。当这种材料应用于锂离子电池时，它能够储存更多的电量，比市面上现有的TiO₂高出2.1倍。

 

此外，该方法还成功应用于其他氧化物体系（如ZrO₂, WO₃和VO₂）中构筑有序氧空位，表现出很强的普适性。

 

相关研究成果以 “A facile approach for generating ordered oxygen vacancies in metal oxides”为题发表在Nature Materials 上。北京科技大学新金属材料全国重点实验室、甬江实验室先进陶瓷材料创新中心陈克新研究员为论文第一作者及通讯作者。中国人民大学袁轩一教授、清华大学田兆波博士（现为杭州电子科技大学特聘研究员）、清华大学邹明初博士（现为美国休斯顿大学博士后研究员）共同第一作者，清华大学刘光华副教授为共同通讯作者。中国科学院物理研究所、伊利诺伊大学芝加哥分校、浙江大学为论文的合作完成单位。

 

该研究为氧化物材料的缺陷调控开拓了一条新的道路，即将电场与热激活两种能量馈入方式相耦合，通过协同增效获得单一处理手段无法得到的新结构与高性能，解决了在块体材料中构筑有序氧空位的难题，为未来开发更高性能的电子设备、电池和其他高科技产品提供了新的可能性。

 

先进结构陶瓷创新中心

 

陈克新，北京科技大学研究员、二级教授、博士生导师，国家百千万人才工程有突出贡献中青年专家，国务院政府特殊津贴专家。担任北京科技大学新金属材料全国重点实验室执行主任、甬江实验室先进陶瓷材料创新中心研究主任。

 

先进结构陶瓷创新中心致力于成为结构陶瓷领域国际一流的研究机构，探索新型陶瓷材料的制备与性能调控等多方面的颠覆性技术，进一步发掘陶瓷材料在航空航天、电子、医疗等领域的应用价值，促进世界材料科学领域的进步和发展。中心研究团队由一批拥有丰富经验和专业技能的专家和学者组成，在陶瓷领域具有广泛的知识和深厚的研究背景，从基础研究到产业化应用取得了一系列重要成果：首次突破了氮化硅陶瓷室温脆性这一久未攻克的世界性难题，为实现柔性陶瓷的梦想提供了一条全新的解决思路；自主突破了高品质氮化硅粉体关键制备技术，并实现了产业化应用，年销售量占全球市场的1/4。中心配备热等静压烧结炉、原位力学测试系统等现代化的设备和最先进的微结构表征技术。