TiO2纳米纤维与纳米粉体形貌调控对光催化CO2转化中载流子动力学的影响机制研究

为解决光催化CO2转化效率受限问题，研究人员通过对比TiO2纳米纤维（TiO2-NFs）与纳米粉体（TiO2-NP）的载流子动力学，发现TiO2-NFs因一维结构增强电荷分离，甲醇和乙醇产率分别达182.8和216.0?mcg/l，为设计高效光催化剂提供新思路。

　　

全球气候变化与温室气体排放问题日益严峻，如何高效转化CO₂为可再生燃料成为研究热点。半导体光催化技术因其绿色可持续特性备受关注，其中二氧化钛（TiO₂）因其稳定性和低成本成为首选材料。然而，传统TiO₂光催化剂存在电荷复合率高、载流子寿命短等瓶颈，严重制约CO₂转化效率。这一领域的关键科学问题在于：如何通过材料形貌调控优化载流子动力学行为？

针对这一挑战，国内研究人员通过系统比较TiO₂纳米纤维与纳米粉体的结构-性能关系，揭示了形貌对光催化CO₂转化效率的深层机制。研究发现发表于《Sustainable Chemistry for the Environment》的论文表明，一维纳米纤维结构通过独特的载流子传输路径和表面特性，显著提升了CO₂光还原为甲醇和乙醇的选择性与产率。

研究团队采用电纺丝法制备TiO₂-NFs，通过SEM、XRD、BET、瞬态吸收光谱（fs-TAS）等技术表征材料特性，结合HPLC量化产物。关键发现包括：

1. 形貌特征分析

   SEM显示TiO₂-NFs具有240 nm直径的均匀纤维结构，比表面积达308.41 m²/g，远超纳米粉体（159.36 m²/g）。XRD证实二者均为锐钛矿-金红石混相，但NFs晶格参数更大（a=3.7864 ?，c=9.5208 ?），有利于电荷传输。

2. 光学性能差异

   UV-Vis显示NFs带隙（3.13 eV）宽于NP（2.72 eV），荧光光谱发现NFs存在365 nm发射峰红移，表明氧空位缺陷延长载流子寿命。Z-scan测试证实NFs具有更强的非线性折射效应，提示光捕获能力提升。

3. 载流子动力学

   fs-TAS显示NFs在450-800 nm区光诱导吸收信号衰减更慢，载流子寿命达纳秒级，而NP因颗粒团聚导致快速复合。这种差异源于一维结构的定向电荷传输特性。

4. 光催化性能

   HPLC结果显示NFs催化产生的甲醇（182.8 mcg/l）和乙醇（216.0 mcg/l）产率分别是NP的4.9倍和3倍。FT-IR证实PVP修饰的NFs表面存在C=O（1650 cm^-1）和Ti-O-Ti（500-700 cm^-1）协同活性位点。

这项研究的重要意义在于：首次通过多尺度表征阐明TiO₂形貌-性能关系，证明一维纳米结构通过（1）增大比表面积（2）构建长程电荷传输通道（3）引入缺陷态三重机制协同提升CO₂转化效率。该成果为设计S-型异质结光催化剂提供理论依据，推动"人工光合作用"技术发展。未来研究可进一步探索表面修饰与金属掺杂对NFs性能的调控作用，加速光催化技术的实际应用。