综述：结构功能化的TiO?介导的光催化剂作为染料降解剂：系统综述

《Materials Research Bulletin》：Structural Functionalized TiO 2-Mediated Photocatalysts as Dye Degradation Agents: A Systematic Review

染料污染严重威胁环境和健康，TiO?因其低成本和非毒性成为光催化降解的有效材料。但纯TiO?存在带隙宽、电荷复合率高的问题，通过掺杂（金属/非金属）和支撑材料（石墨烯、二氧化硅等）改性可显著提升其可见光响应和载流子分离效率。Z型异质结利用能带排列实现电荷分离，S型异质结通过空间电荷分离抑制复合，而掺杂可调控能带结构或引入缺陷态。研究重点包括优化掺杂浓度、支撑材料与TiO?的界面工程，以及实际应用中的稳定性和成本问题。

　　水污染问题，特别是染料污染，对人类健康和水生态系统构成了严重威胁，因此已成为全球性挑战。染料污染主要来源于纺织业和其他工业活动，这些污染物不仅具有毒性，而且在自然环境中难以降解，能够长期残留并影响水质。随着工业化进程的加快，染料的使用量不断增加，其污染问题也日益突出。面对这一挑战，研究人员探索了多种污染治理方法，其中光催化降解被认为是具有巨大潜力的解决方案之一。光催化技术利用光能激活催化剂，进而产生高活性的氧化物种，如羟基自由基和超氧自由基，这些物种能够有效地分解有机污染物。其中，二氧化钛（TiO?）因其非毒性、化学稳定性、高催化活性以及在环境中的广泛可用性，被认为是理想的光催化剂。然而，TiO?的广泛应用仍然面临一些挑战，如其宽禁带（3.2 eV），限制了其对可见光的响应能力，以及光生电子-空穴对的快速复合，导致催化效率降低。为了克服这些限制，研究人员提出了多种改进策略，包括对TiO?进行掺杂和负载支持材料，以提高其催化性能。

TiO?的结构和性能可以被多种方法调控。例如，通过掺杂不同金属和非金属元素，可以有效缩小其禁带宽度，提高其对可见光的响应能力。同时，负载支持材料如石墨烯、碳纳米管、二氧化硅等，可以促进电子转移，减少电子-空穴对的复合，并增强其光催化活性。这些方法的实施不仅提高了TiO?的性能，还使其在实际应用中更具可行性。近年来，研究人员还探索了多种异质结结构，如Z型结构和S型结构，这些结构能够有效分离光生电子和空穴，提高其在可见光下的催化效率。

掺杂和负载支持材料是提高TiO?光催化性能的两种主要策略。其中，掺杂策略包括引入金属离子（如Fe、Cr、Co、Ni等）和非金属元素（如N、C、S等），这些掺杂可以改变TiO?的能带结构，增加其对可见光的吸收能力，并提高电子-空穴对的分离效率。例如，氮掺杂能够有效地降低TiO?的禁带宽度，从而提高其对可见光的响应。而金属掺杂则可以通过引入新的能量状态，改变电子的迁移路径，减少电子-空穴对的复合，提高催化效率。另一方面，负载支持材料可以提供更大的比表面积，促进污染物的吸附，并通过结构优化，提高光催化反应的效率。支持材料的使用还可以防止TiO?颗粒的聚集，提高其可回收性，使其在实际应用中更具优势。

异质结结构的引入是提高TiO?光催化性能的另一种重要策略。Z型结构由两个半导体组成，一个作为电子供体，另一个作为空穴供体，从而实现更高效的光催化反应。S型结构则通过引入两个n型半导体，实现电子和空穴的高效分离，进一步提高光催化效率。这些结构的引入不仅提高了TiO?的性能，还增强了其在可见光下的应用能力。然而，异质结结构的构建需要复杂的工艺和材料处理，因此仍然面临一些挑战，如如何实现高效的电子-空穴分离，如何优化支持材料与TiO?之间的界面相互作用等。

TiO?的光催化性能还受到其晶体结构的影响。TiO?主要以金红石、锐钛矿和板钛矿三种形式存在，其中锐钛矿的光催化活性较高。通过改变其晶体结构，如引入不同的掺杂和负载材料，可以进一步提高其催化效率。例如，TiO?与石墨烯的复合材料能够显著提高其对可见光的响应，促进电子转移，从而提高其对有机污染物的降解能力。同时，TiO?与碳纳米管的复合材料能够有效减少电子-空穴对的复合，提高其光催化效率。

在实际应用中，TiO?的光催化性能还受到多种因素的影响，如光照强度、催化剂浓度、污染物浓度等。不同的光照条件（如可见光、紫外光、太阳光）对TiO?的光催化性能具有显著影响。例如，在可见光下，TiO?的光催化活性较低，但在紫外光下，其活性较高。通过引入不同的支持材料和掺杂策略，可以优化TiO?的光催化性能，使其在可见光下具有更高的活性。此外，TiO?的光催化性能还受到其表面性质和电子结构的影响，这些性质可以通过表面改性和掺杂策略进行调控。

在实际应用中，TiO?的光催化性能还受到其合成方法和材料处理的影响。例如，通过溶胶-凝胶法、水热法、超声波处理等方法，可以合成出具有不同结构和性能的TiO?复合材料。这些方法的优化不仅提高了TiO?的性能，还增强了其在实际应用中的可行性。此外，TiO?的光催化性能还受到其负载材料的影响，如石墨烯、碳纳米管、二氧化硅等。这些材料的使用能够促进电子转移，减少电子-空穴对的复合，并提高其对污染物的吸附能力。

TiO?的光催化性能还受到其在不同环境中的稳定性的影响。例如，在水热法合成的TiO?复合材料中，其在可见光下的稳定性较高，但在紫外光下，其稳定性较低。因此，为了提高其在可见光下的稳定性，研究人员探索了多种改进策略，如引入非金属掺杂、负载支持材料等。这些策略的实施不仅提高了TiO?的性能，还增强了其在实际应用中的可行性。

此外，TiO?的光催化性能还受到其在不同反应条件下的性能表现的影响。例如，在可见光下，TiO?的光催化活性较低，但在紫外光下，其活性较高。通过引入不同的支持材料和掺杂策略，可以优化其在不同反应条件下的性能表现。例如，TiO?与石墨烯的复合材料在可见光下表现出较高的活性，而TiO?与碳纳米管的复合材料在紫外光下表现出较高的活性。

综上所述，TiO?的光催化性能可以通过多种策略进行优化，包括掺杂、负载支持材料、改变其晶体结构等。这些策略的实施不仅提高了TiO?的性能，还增强了其在实际应用中的可行性。然而，这些策略仍然面临一些挑战，如如何实现高效的电子-空穴分离，如何优化支持材料与TiO?之间的界面相互作用等。未来的研究需要进一步探索这些策略的优化方法，以提高TiO?的光催化性能，并促进其在实际应用中的推广。