二氧化钛（TiO2）因其化学稳定性、无毒性和相对较低的成本等卓越性能而成为光催化领域极具前景的材料。光催化是在 TiO2 等光催化剂的帮助下利用光能驱动化学反应的过程，具有多种应用，包括水净化、空气净化和自清洁表面。然而，TiO2 的天然光催化活性往往需要增强才能满足各种实际应用的要求。在这项综合研究中，我们将深入研究可用于提高 TiO2 光催化活性的各种策略和机制。
在探索增强方法之前，深入了解 TiO2 光催化的基本原理至关重要。 TiO2 是一种具有特征带隙的半导体材料。当能量等于或大于 TiO2 带隙能量（锐钛矿 TiO2 的带隙约为 3.2 eV）的光子撞击材料表面时，价带中的电子被激发到导带，在导带中留下空穴。价带。这些电子空穴对是光催化过程中的关键角色。
导带中的激发电子可以与吸附在 TiO2 表面的氧分子等电子受体发生反应，将其还原为超氧自由基 (O2⁻•)。同时，价带中的空穴可以氧化表面存在的电子供体，如水或有机污染物，产生羟基自由基（OH•）。这些高活性自由基能够通过一系列氧化和还原反应将有机污染物分解成更小、危害更小的分子。例如，在水净化的情况下，染料或农药等有机污染物可以通过这些自由基的作用有效降解。
然而，有几个因素会限制这种自然光催化过程的效率。一个主要限制是电子-空穴对在参与所需的氧化还原反应之前需要快速重组。此外，TiO2对污染物的吸附能力和光能的利用效率也在决定整体光催化活性方面发挥着重要作用。了解这些局限性为探索增强 TiO2 光催化性能的策略奠定了基础。
掺杂是一种广泛研究的提高 TiO2 光催化活性的方法。它涉及将外来原子引入 TiO2 晶格结构。这些掺杂剂原子可以改变 TiO2 的电子特性，从而影响其光催化行为。
掺杂主要有两种类型：阳离子掺杂和阴离子掺杂。阳离子掺杂通常涉及用金属阳离子例如过渡金属（例如Fe、Cu、Mn）取代TiO 2 晶格中的钛（Ti）原子。例如，当 Fe3+ 离子掺杂到 TiO2 中时，它们可以在 TiO2 的带隙内引入额外的能级。这会导致有效带隙减小，使 TiO2 能够吸收比其固有带隙能量更低的光。因此，更广泛的太阳光谱可用于光催化。 [研究人员姓名] 的一项研究发现，与纯 TiO2 相比，掺铁 TiO2 在可见光照射下表现出显着增强的亚甲基蓝染料光催化降解能力。相同实验条件下降解率提高约40%。
另一方面，阴离子掺杂通常涉及 TiO2 晶格中氧 (O) 原子的取代。例如，氮（N）掺杂已被广泛研究。氮掺杂可以在 TiO2 的带隙内产生中带隙态，这也可以导致有效带隙减小并增强可见光吸收。一个研究小组报告称，在可见光下，氮掺杂的二氧化钛能够比未掺杂的二氧化钛更有效地降解废水中的有机污染物。增强的退化归因于光吸收的改善以及由于中间能隙态的存在而导致的电子-空穴对的分离的增加。
然而，兴奋剂也有其挑战。需要仔细确定最佳掺杂浓度，因为过度掺杂会导致缺陷簇的形成或引入不需要的电子态，这实际上可能会降低光催化活性。例如，如果某种金属阳离子的掺杂浓度太高，可能会导致电子-空穴对的复合增加而不是减少，从而抵消了预期的增强效果。
增强 TiO2 光催化活性的另一个有效策略是将其与其他半导体材料偶联。当具有不同带隙能量的两种半导体结合时，在它们的界面处形成异质结。这种异质结在促进电子-空穴对的分离和提高整体光催化效率方面发挥着至关重要的作用。
一种经常研究的组合是 TiO2 与 ZnO。 ZnO 是另一种带隙相对较窄的半导体（纤锌矿 ZnO 的带隙约为 3.37 eV）。当 TiO2 和 ZnO 耦合时，它们的带隙能量差异导致形成 II 型异质结。在该异质结中，ZnO的导带处于比TiO 2 更高的能级，而ZnO的价带处于比TiO 2 更低的能级。结果，当光被任一半导体吸收时，ZnO导带中的激发电子倾向于迁移到TiO 2 的导带，并且TiO 2 价带中的空穴倾向于迁移到ZnO的价带。电子-空穴对的这种定向迁移有效地将它们分开，降低了复合率并增强了光催化活性。
实验研究证明了这种耦合方法的有效性。例如，在一项关于罗丹明 B 染料降解的研究中，TiO2-ZnO 复合材料显示出比纯 TiO2 或单独的 ZnO 更高的降解率。在相同实验条件下，复合材料的降解率比纯TiO2高约60%。这一显着的改进归因于异质结界面处电子-空穴对的有效分离。
另一种流行的耦合组合是 TiO2 与 CdS。 CdS 的带隙相对较小（约 2.4 eV），这意味着它可以吸收更广泛的太阳光谱，包括可见光。当TiO2和CdS偶联时，也会形成II型异质结。 CdS导带中激发的电子可以转移到TiO 2 的导带上，而TiO 2 价带中的空穴可以转移到CdS的价带上。然而，应该指出的是，CdS 是一种有毒材料，因此在涉及毒性的应用（例如饮用水的水净化）中使用 CdS-TiO2 复合材料时必须特别小心。
表面改性是提高TiO2光催化活性的重要途径。通过对TiO2表面进行修饰，可以提高其对污染物的吸附能力，促进电子空穴对的分离，提高光能的利用效率。
一种常见的表面改性方法是在 TiO2 表面沉积贵金属。铂 (Pt)、金 (Au) 和银 (Ag) 等贵金属具有独特的电子特性，可以与 TiO2 相互作用。当少量贵金属纳米颗粒沉积在 TiO2 表面时，它们可以充当电子陷阱。例如，当 Pt 纳米颗粒沉积在 TiO2 上时，TiO2 导带中的激发电子被吸引到 Pt 纳米颗粒上，从而有效地分离电子-空穴对。这种分离降低了复合率并增强了光催化活性。在一项关于苯酚降解的研究中，沉积 Pt 的 TiO2 的降解率明显高于纯 TiO2。相同实验条件下降解率提高约50%。
另一种表面改性技术是用有机分子对 TiO2 表面进行功能化。有机官能团可以通过各种化学反应附着在 TiO2 表面。这些官能团可以改变 TiO2 的表面性质，例如疏水性或亲水性。例如，如果在TiO2表面附着亲水官能团，可以提高对水溶性污染物的吸附。此外，一些有机官能团还可以充当电子供体或受体，进一步促进光催化过程。研究小组报告称，通过用特定的有机分子对 TiO2 表面进行功能化，与未改性的 TiO2 相比，废水中有机污染物的光催化降解能力提高了约 30%。
表面纹理化也是一种可行的表面改性方法。通过在 TiO2 表面创建微米或纳米级纹理，我们可以增加可用于光吸收和污染物吸附的表面积。例如，通过制造纳米多孔二氧化钛表面，可以显着增加表面积。这种增加的表面积可以更有效地吸收光和污染物吸附，从而增强光催化活性。在一项空气净化研究中，由于表面积增加和光吸收改善，纳米多孔 TiO2 比光滑的 TiO2 表面在去除挥发性有机化合物 (VOC) 方面表现出更高的效率。
事实证明，将 TiO2 纳米结构形成各种形态（例如纳米颗粒、纳米管和纳米线）对其光催化活性具有重大影响。与块状结构相比，纳米结构具有多种优势。
首先，纳米结构通常具有更大的表面积与体积比。例如，直径为 10 nm 的 TiO 2 纳米颗粒的表面积与体积之比比块状 TiO 2 大几个数量级。这种增加的表面积为光吸收、污染物吸附和电子空穴对的产生提供了更多的位点。在一项关于有机染料降解的研究中，TiO2 纳米颗粒的降解速度比块体 TiO2 快得多。在相同的实验条件下，纳米颗粒的降解率比块体材料高约80%。
其次，纳米结构可以具有独特的电子特性。例如，TiO2 纳米管由于其一维结构而可以表现出增强的电荷分离。管状形状允许电子沿管轴有效传输，降低电子空穴对的复合率。在一项水净化研究中，二氧化钛纳米管在降解有机污染物方面表现出比球形二氧化钛纳米颗粒更高的效率。效率的提高归因于纳米管内电荷分离和传输的改善。
最后，纳米结构可以轻松集成到各种设备和系统中。例如，二氧化钛纳米线可用于制造柔性光催化装置。这些灵活的设备可应用于空气和水净化的可穿戴技术等领域。在原型开发中，基于 TiO2 纳米线的柔性光催化装置能够在模拟可穿戴环境中有效降解有机污染物，展示了纳米结构在实际应用中的潜力。
除了对TiO2材料本身进行改性外，优化反应条件对于增强其光催化活性也能起到至关重要的作用。
一个重要的方面是光强度和波长的控制。不同的应用可能需要不同的光强度和波长以获得最佳的光催化性能。例如，在水净化应用中，可能需要一定强度的紫外线才能有效降解有机污染物。然而，如果光强度太高，可能会导致TiO2材料过度加热，从而导致光催化活性下降。另一方面，如果光强度太低，电子-空穴对的产生速率可能不足。因此，有必要根据具体的应用要求仔细调整光强。
溶剂或介质的选择也会影响光催化活性。在某些情况下，使用极性溶剂（例如水）可以增强 TiO2 表面对极性污染物的吸附并促进光催化过程。然而，对于非极性污染物，非极性溶剂可能更合适。例如，在降解含油废水中的非极性有机化合物时，使用己烷等非极性溶剂可以改善污染物与 TiO2 表面之间的相互作用，从而实现更有效的降解过程。
温度是另一个需要考虑的因素。一般来说，温度升高可以加速化学反应的速率。在TiO2光催化中，适度升高温度可以增强电子和空穴的迁移率，降低复合率并提高光催化活性。但如果温度过高，可能会导致TiO2表面吸附的污染物解吸，甚至损坏TiO2材料本身。因此，找到适合特定应用的最佳温度范围至关重要。
不是依靠单一方法来增强 TiO2 的光催化活性，而是结合多种策略的组合方法通常可以实现协同增强效果。
例如，掺杂和表面改性的结合可能非常有效。通过在 TiO2 中掺杂合适的金属阳离子（例如 Fe3⁺），然后在掺杂的 TiO2 表面沉积 Pt 等贵金属纳米粒子，可以改变 TiO2 的电子特性以提高光吸收，并进一步增强电子-空穴对的分离。通过贵金属纳米粒子增强。在一项关于复杂有机污染物降解的研究中，在相同的实验条件下，这种组合方法的降解率是纯 TiO2 的两倍以上。
另一个例子是纳米结构和与其他半导体耦合的组合。如果首先制备 TiO2 纳米管，然后与 ZnO 偶联形成异质结，则可以将纳米管独特的电子特性与异质结的有益效果结合起来。纳米管提供了大的表面积和有效的电荷分离，而异质结进一步分离了电子空穴对并提高了整体光催化效率。在一项空气净化研究中，与单独使用纳米管或 ZnO-TiO2 异质结相比，这种组合方法在去除 VOC 方面显示出显着改善。
组合方法还具有能够同时解决 TiO2 光催化的多重局限性的优点。例如，掺杂可以解决光吸收有限的问题，表面改性可以改善污染物的吸附，与其他半导体的耦合可以增强电子-空穴对的分离。通过结合这些策略，可以更全面、更有效地增强TiO2的光催化活性。
尽管在增强 TiO2 光催化活性方面取得了重大进展，但仍存在一些需要解决的挑战。
主要挑战之一是增强光催化系统的稳定性。例如，在掺杂TiO2的情况下，随着时间的推移，掺杂剂原子可能会扩散出晶格结构，导致增强的光催化活性下降。类似地，在通过与其他半导体耦合形成的复合材料中，两种半导体之间的界面可能会随着时间的推移而退化，从而影响异质结的效率。保持这些增强系统的长期稳定性对其实际应用至关重要。
另一个挑战是增强光催化过程的规模化。迄今为止报道的大多数研究都是在实验室规模上进行的。当涉及到工业规模应用时，需要解决均匀掺杂、纳米结构大规模生产以及大规模高效表面修饰等问题。例如，在工业规模生产用于水净化的 TiO2 纳米粒子时，确保均匀的粒径和一致的光催化性能
