氧空位是金属氧化物材料中最常见和最重要的缺陷之一，对其性质与功能影响巨大。传统方法制造的氧空位通常呈现随机无序分布的状态，这在一定程度上导致了氧化物材料性能的不稳定和不可控，限制了其在催化、离子导电、储能等领域的进一步应用。调控氧化物中氧空位的有序排布，可为离子迁移和电子传输提供高效路径，改善材料的电子结构、光学特性、催化活性等性能。当前，通过精细控制原子沉积、压应力调控等手段，学者们在一些颗粒表面或薄膜材料中已实现了有序氧空位的制备。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（ET处理，其中“E”代表电场，“T”代表热激活）的新思路，实现了稳定有序氧空位结构的简单高效构筑。以长余辉材料三元氧化物SrAl2O4和锂电储能用二元氧化物TiO2为主要研究对象，通过先进的iDPC氧空位成像技术和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了电场对有序氧空位形成的调控机制。对于SrAl2O4晶体，在预先存在同位置氧空位的情况下，施加电场后，8个晶格氧中O8位置氧空位的形成能最低。同时，在电场的作用下，材料从无序氧空位构型到有序氧空位构型的结构转变能垒显著降低（当施加 0.01 V/Å 的电场时，能垒降低40 meV）。ET处理后的SrAl2O4材料中的有序氧空位结构赋予了其更优的能级分布，使其长余辉发光性能得到显著提升，激发停止1小时后的余辉强度仍达83 mcd/m2，是对照样品的3.6倍。此外，ET处理后的TiO2在应用于锂离子电池中时表现出了很高的比容量，达到311 mAh/g（在0.2 A/g电流密度下，理论容量为355 mAh/g），是使用商业TiO2的2.1倍。同时，该方法还成功应用于在其他氧化物体系（如ZrO2,WO3和VO2）中构筑有序氧空位，表现出很强的普适性。
图1. (a) ET处理工艺示意图；(b)处理得到SrAl2O4中的有序氧空位结构
图2. ET处理后的SrAl2O4的长余辉发光性能
相关研究成果于2025年3月7日以 “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）为共同第一作者，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，为宏观块材的功能化调控和应用起到了重要推动作用。
论文信息：
Chen, K., Yuan, X., Tian, Z. et al. A facile approach for generating ordered oxygen vacancies in metal oxides. Nat. Mater. (2025).
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02171-4
主要作者简介：
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。1997年从北京科技大学博士毕业后历任清华大学材料系讲师、副教授、教授，2004-2024年任职于国家自然科学基金委员会，2024年起就职于北京科技大学新金属材料全国重点实验室。兼任中国硅酸盐学会副秘书长，《材料研究学报》、《硅酸盐学报》、《科学通报》、Journal of Materiomics 等期刊编委。主要从事高性能陶瓷材料研究，曾作为最年轻的项目负责人承担“十五”首批国家 863 项目。迄今在 Science（第一通讯作者2篇）、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Journal of the American Ceramic Society等期刊发表论文 200 多篇，其中受邀撰写综述论文 8 篇，出版专著 4 部，授权国家发明专利 30 余项。尤其率先研制出“室温塑性陶瓷”，实现陶瓷材料的室温压缩塑性和拉伸塑性，为解决陶瓷室温脆性这一世界性难题奠定了理论和实验基础。研究工作引起国际材料领域的广泛关注，掀起了塑性陶瓷研究的全球热潮，被 Science，Nature，Nature Materials 等期刊作为亮点工作进行专题评述，并被美国麻省理工科技评论、英国皇家化学会、美国 Phys.org 网站、《科学通报》等著名学术刊物和媒体评价为“突破性成果、在陶瓷材料发展史上具有里程碑意义”。
