综述：TiO2薄膜的当前研究进展：合成与改性对光催化机理及活性的影响

这篇综述系统总结了近十年TiO2薄膜的合成方法（如溶胶-凝胶法、磁控溅射、原子层沉积等）及其对薄膜形貌、缺陷和光学特性的影响，重点探讨了金属/非金属改性策略（如Ag、Fe、g-C3N4掺杂）通过表面等离子体共振（SPR）和异质结（如Z型、p-n型）机制提升光催化效率的机理，为设计高效薄膜光催化剂提供理论指导。

　　

TiO₂薄膜的优势与挑战

作为光催化材料，TiO₂薄膜因其易回收、稳定性强等特性备受关注，但宽禁带（~3.2 eV）和快速电子-空穴复合限制了其实际应用。相比粉末催化剂，薄膜形式避免了悬浮液中的团聚问题，但比表面积较小，需通过形貌调控（如纳米棒、多孔结构）弥补。

合成方法的关键影响

溶胶-凝胶法通过水解钛醇盐前驱体（如TTIP）形成均匀薄膜，退火温度（400-800℃）可调控晶相转变（锐钛矿→金红石）和表面粗糙度。水热法在碱性条件下可制备纳米花、纳米线等特殊形貌，反应时间直接影响覆盖率和直径。磁控溅射通过调节氧流量（R_O2）引入氧空位（Ti³⁺），使禁带宽度降低至2.9 eV。原子层沉积（ALD）能精确控制薄膜厚度，但需低温（<100℃）避免烷基酰胺前驱体分解。

改性机制与性能提升

过渡金属（Fe、Cu）掺杂在禁带中引入中间能级，将光响应范围拓展至可见光区。例如，Fe³⁺掺杂使TiO₂禁带从3.32 eV降至2.47 eV，甲基橙降解率提升至79%。贵金属（Ag、Au）修饰通过SPR效应产生热电子，Ag/TiO₂薄膜对罗丹明B的降解率达92.94%。稀土金属（Eu、Ce）通过4f电子跃迁抑制相变，Eu³⁺掺杂薄膜的电荷分离效率提高1.95倍。

非金属改性中，碳量子点（CQDs）作为电子受体，使Cr⁶⁺还原效率达43.39%；g-C₃N₄与TiO₂构建Z型异质结，四环素降解率提升至25.8%。壳聚糖-TiO₂核壳结构通过增加吸附位点，使甲基蓝降解速率提高50倍。

其他应用前景

改性薄膜在氢能领域表现突出，Cu_xO/TiO₂的产氢速率达298 μmol g^-1 h^-1；Ag/TiO₂对大肠杆菌的抗菌率>99%。MWCNT/TiO₂薄膜对NO_x的去除效率达100%，展现了在空气净化中的潜力。

结论与展望

通过调控合成参数和改性策略，TiO₂薄膜的光催化性能可显著提升。未来研究需关注低成本规模化制备和实际环境下的长期稳定性，以推动其工业化应用。