二氧化钛 (TiO2) 长期以来因其广泛的应用而受到认可，从 油漆 中的颜料和涂料到用于环境修复的光催化剂。近年来，人们越来越有兴趣探索其在能源领域的潜在新应用。这是由于其独特的物理和化学特性使其成为各种能源相关技术的有希望的候选者。 TiO2 是一种白色、无味、结晶粉末，在正常条件下高度稳定、化学惰性，并且具有高折射率。这些特性，加上其丰富性和相对较低的成本，促使研究人员研究它如何有助于开发更高效和可持续的能源解决方案。
TiO2 与能源应用相关的关键特性之一是其带隙。对于最常见的晶体结构锐钛矿相和金红石相，TiO2 的带隙通常约为 3.0 - 3.2 eV。这意味着它可以吸收波长短于约 400 nm 的紫外线 (UV)。当吸收足够能量的光子时，TiO2 价带中的电子可以被激发到导带，产生电子空穴对。该过程对于许多与能源相关的应用（例如光催化和光伏发电）至关重要。例如，在光催化中，这些电子空穴对可以与 TiO2 表面的水和氧分子反应，生成羟基自由基 (·OH) 等活性氧 (ROS)，可用于分解有机污染物或分解有机污染物。水来产生氢气。
另一个重要特性是其高表面积与体积比。纳米结构 TiO2，例如纳米粒子、纳米管和纳米线，可以具有极大的表面积。这允许有更多的活性位点发生反应。例如，在染料敏化太阳能电池 (DSSC) 中，涂有染料的 TiO2 纳米粒子的大表面积可以吸附大量的染料分子，从而与仅吸收光谱的染料分子相比，可以吸收更广泛的太阳光谱。单独使用 TiO2。这种增强的光吸收导致太阳能到电能的转换效率提高。
在光伏领域，人们以不同的方式对二氧化钛进行了探索。突出的应用之一是染料敏化太阳能电池（DSSC）。在 DSSC 中，TiO2 纳米颗粒通常用作半导体电极。染料分子吸附在 TiO2 纳米粒子的表面上。当阳光照射到电池上时，染料分子吸收光子并将激发的电子转移到 TiO2 的导带上。然后这些电子流过外部电路，产生电流。研究表明，在最佳条件下，使用 TiO2 的 DSSC 效率可达 11 - 12% 左右。例如，Grätzel 电池（属于 DSSC 的一种）在使用 TiO2 基电极时表现出了良好的性能。然而，仍有一些挑战需要克服，例如提高电池的长期稳定性以及通过优化染料和TiO2组合进一步提高光吸收效率。
TiO2 也被研究用于钙钛矿太阳能电池。在这些电池中，TiO2 可用作电子传输层。它有助于有效地将钙钛矿层中产生的电子传输到外部电路。研究表明，在钙钛矿太阳能电池中正确使用TiO2可以提高电池的整体效率和稳定性。例如，通过仔细控制 TiO2 层的厚度和质量，研究人员已经能够实现更高的功率转换效率。在某些情况下，添加 TiO2 层可使钙钛矿太阳能电池的效率提高几个百分点。
使用 TiO2 进行光催化是一个经过充分研究的领域，在能源领域具有众多潜在应用。主要应用之一是水分解产生氢气。如前所述，当 TiO2 受到紫外线照射时，会产生电子-空穴对。这些电子空穴对可以与 TiO2 表面的水分子发生反应，产生氢气和氧气。然而，由于电子-空穴对在有效参与水分解反应之前需要复合等多种因素，目前该过程的效率相对较低。研究人员正在研究克服这一问题的策略，例如用其他元素掺杂 TiO2 以改变其电子特性并减少电子空穴对复合。
光催化的另一个重要应用是降解水或空气中的有机污染物。二氧化钛可用于将有机化合物分解成更小、危害更小的分子。例如，在废水处理厂中，二氧化钛基光催化剂已经过测试，可去除染料、农药和药品等污染物。一项研究发现，二氧化钛光催化剂能够在紫外线照射的几个小时内降解超过 80% 的特定染料污染物。这显示了 TiO2 光催化在环境修复和节能方面的潜力，因为它可以减少对能源密集型传统处理方法的需求。
TiO2 在能源存储领域也显示出前景。例如，在锂离子电池中，TiO2 可用作阳极材料。与传统石墨阳极相比，TiO2 具有一定的优势。它具有更高的锂存储理论容量，这意味着它可以存储更多的锂离子。此外，TiO2 在充电和放电循环过程中更加稳定，降低了热失控的风险并提高了电池的安全性。然而，使用 TiO2 作为负极材料也存在挑战。与石墨相比，其电导率相对较低，需要使用导电添加剂或纳米结构技术来提高电荷转移效率。一些研究表明，纳米结构的 TiO2（例如 TiO2 纳米管）已被证明可以改善锂离子电池阳极的电化学性能。
在超级电容器中，TiO2 也可以发挥作用。超级电容器是可以提供快速充电和放电循环的能量存储设备。 TiO 2 可用作电极材料或电极复合材料中的组分。其高表面积和稳定的化学性质使其适合超级电容器应用。例如，当将 TiO2 纳米颗粒纳入超级电容器电极时，它们可以通过提供更多的电荷存储活性位点来增加器件的电容。研究表明，在超级电容器中适当使用TiO2可以提高器件的能量密度和功率密度，使其在储能市场上更具竞争力。
尽管二氧化钛在能源领域具有众多潜在应用，但仍存在一些需要解决的挑战和限制。主要挑战之一是其在太阳光谱中的吸收范围相对较窄。如前所述，二氧化钛主要吸收紫外线，而太阳能的很大一部分位于可见光和红外区域。这限制了其在直接太阳能转换应用（例如光伏发电）中的效率。为了克服这个问题，研究人员正在探索一些方法，例如在二氧化钛中掺杂其他元素，将其吸收带转移到可见光范围，或者将其与其他可以更有效地吸收可见光的材料结合起来。
另一个挑战是光催化和光伏应用中电子-空穴对的重组。如前所述，当电子-空穴对产生时，它们通常会在完全用于反应或发电之前重新结合。这降低了过程的效率。人们正在采用掺杂、表面改性和纳米结构等策略来减少电子空穴对复合，但需要更多的研究才能达到最佳结果。
在储能应用方面，TiO2 相对较低的电导率是一个显着的缺点。正如锂离子电池和超级电容器示例中提到的，提高 TiO2 的电导率对于获得更好的性能至关重要。这需要使用导电添加剂或更先进的纳米结构技术，这会增加制造过程的复杂性和成本。
TiO2 在能源领域有许多令人兴奋的未来方向和研究机会。重点领域之一可能是进一步提高 TiO2 的可见光吸收率。通过开发新的掺杂技术或复合材料，可以增强其在可见光范围内的吸收，可以显着提高其光伏和光催化应用的效率。例如，将 TiO2 与等离子体材料相结合，通过表面等离子体共振增强光吸收，可能是一种有前景的方法。
另一个研究机会在于优化 TiO2 的纳米结构以适应不同的能源应用。通过精确控制 TiO2 纳米结构的尺寸、形状和排列，可以进一步增强其性能，如表面积、电子空穴对生成和电荷转移效率。例如，制造具有特定直径和长度的 TiO2 纳米管可以优化其在锂离子电池阳极或超级电容器电极中的性能。
此外，探索二氧化钛在燃料电池和热电设备等新兴能源技术中的潜力，可以为其应用开辟新的途径。例如，在燃料电池中，二氧化钛可用作催化剂载体或电极材料。在热电装置中，可以利用其独特的热和电特性来提高热电转换效率。总体而言，未来几年，能源领域对二氧化钛的持续研究可能会产生许多有价值的见解和应用。
总之，二氧化钛在能源领域显示出巨大的新应用潜力。其独特的性能，如带隙、高表面积和化学稳定性，使其成为各种能源相关技术的合适候选者，包括光伏、光催化和储能。然而，也存在需要克服的挑战和限制，例如其吸收范围窄、电子空穴对复合以及相对较低的电导率。通过持续的研究和开发，重点关注提高可见光吸收、优化纳米结构以及探索新兴能源技术的新应用等领域，预计二氧化钛将在追求更高效和可持续的能源解决方案中发挥越来越重要的作用。
