比表面积大的半导体材料——二氧化钛

1972年，《自然》杂志发表了一篇划时代的论文，提出利用二氧化钛电极光解水产生氢气和氧气的方法。 自此，以二氧化钛为代表的光催化材料成为科学界的研究热点。二氧化钛作为一种半导体材料，其能级结构由能量较低的价带和能量较高的导带组成，价带和导带之间的能量差称为带隙能量。 当光照射到二氧化钛材料上，且光的能量大于或等于带隙能量时，价带上的一部分电子就会被激发，跃迁到导带上，从而产生光生电子和空穴。 这一特性使得二氧化钛在光催化领域展现出巨大潜力。

二氧化钛光催化技术的优势显而易见。首先， 它是一种高效、安全、环境友好的净化技术，能够将有机污染物彻底降解为二氧化碳和水。 其次，二氧化钛化学性质稳定，氧化还原性强，成本低廉，无毒无害，使用寿命长。此外，光催化技术操作简单，能耗低，无二次污染，特别适合室内挥发性有机物的净化。

然而，二氧化钛光催化技术也面临着一些固有缺陷。首先是其带隙能量与太阳光谱不匹配的问题。 二氧化钛主要吸收紫外光，而太阳光中紫外光仅占不到6%。 这意味着二氧化钛对太阳能的利用效率并不高。其次，光生电子和空穴在催化剂表面可能发生复合，导致催化剂失活，严重拉低光催化效率。

为了解决这些问题，科学家们进行了不懈的努力。中国科学院金属研究所刘岗团队通过基础研究，提出了两种思路来拓宽二氧化钛的光吸收范围：一是 利用原子结构通道促进扩散，二是利用间隙异质原子弱化强键来降低断键能。 他们还研制出具有电荷短程迁移特征的二维光催化材料，并设计了含非饱和/饱和价态阳离子的核/壳结构光催化材料，实现了光生电子与空穴的空间分离，突破了电荷分离的限制。

除了材料本身的改进，研究人员还探索了二氧化钛的固载化技术。固载后的二氧化钛具有便于回收利用、提高光催化活性等优点。目前，常用的固载方法包括溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、电沉积法等。这些方法不仅提高了二氧化钛的使用效率，还为制备各种形状的光催化反应器提供了可能。

展望未来，二氧化钛光催化技术在环境保护和能源转换领域仍有巨大的发展潜力。在环境治理方面，它有望成为废水处理、空气净化的重要手段。在能源转换领域，利用二氧化钛进行光催化水分解制氢，可能成为未来清洁能源的重要来源。随着材料科学和纳米技术的不断进步，我们有理由相信，二氧化钛光催化技术将在解决人类面临的环境和能源挑战中发挥越来越重要的作用。