Nicolas Alonso-Vante, Wei Li, Monique Body, Alexander I. Kokorin, Jolanta Światowska, Nikolay T Le, Elizaveta A. Konstantinova, Arnaud Demortière, Damien Dambournet, Christophe Legein, Christel Laberty-Robert, Olaf J. Borkiewicz, Jiwei Ma, J.A. Diaz-Real, PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX (PHENIX), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), National Engineering Laboratory of New Energy Vehicles and Power Systems [Tongji University], Tongji University, Lomonosov Moscow State University (MSU), Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers (IC2MP), Université de Poitiers-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut des Molécules et Matériaux du Mans (IMMM), Le Mans Université (UM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Recherche de Chimie Paris (IRCP), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Ministère de la Culture (MC), Laboratoire réactivité et chimie des solides - UMR CNRS 7314 (LRCS), Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E), Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Université de Nantes (UN)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM), Argonne National Laboratory [Lemont] (ANL), National Research Center 'Kurchatov Institute' (NRC KI), N. N. Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences [Moscow] (RAS), Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (LCMCP), Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Ministère de la Culture (MC), Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Nantes (UN)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Montpellier (UM)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), and Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)
International audience; Manipulating the atomic structure of semiconductors is a fine way to tune their properties. The rationalization of their modified properties is, however, particularly challenging as defects locally disrupt the long-range structural ordering, and a deeper effort is required to fully describe their structure. In this work, we investigated the photoelectrochemical properties of an anatase-type structure featuring a high content of titanium vacancies stabilized by dual-oxide substitution by fluoride and hydroxide anions. Such atomic modification induces a slight red-shift band gap energy of 0.08 eV as compared to pure TiO 2 , which was assigned to changes in titanium− anion ionocovalent bonding. Under illumination, electron paramagnetic resonance spectroscopy revealed the formation of Ti III and O 2 − radicals which were not detected in defect-free TiO 2. Consequently, the modified anatase shows higher ability to oxidize water with lower electron−hole recombination rate. To further increase the photoelectrochemical properties, we subsequently modified the compound by a surface functionalization with N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). This treatment further modifies the chemical composition, which results in a red shift of the band gap energy to 3.03 eV. Moreover, the interaction of the NMP electron-donating molecules with the surface induces an absorption band in the visible region with an estimated band gap energy of 2.25−2.50 eV. Under illumination, the resulting core−shell structure produces a high concentration of reduced Ti III and O 2 − , suggesting an effective charge carrier separation which is confirmed by high photoelectrochemical properties. This work provides new opportunities to better understand the structural features that affect the photogenerated charge carriers.