综述：纯与掺杂二氧化钛纳米颗粒在光催化应用中的全面评述

《Inorganic Chemistry Communications》：A comprehensive review on pure and doped titanium oxide nanoparticles for photocatalytic applications

本综述系统探讨了TiO2纳米颗粒的改性策略（如金属/非金属掺杂）及其光催化性能优化，重点分析了溶胶-凝胶法（sol-gel）、水热合成等技术对材料带隙（bandgap）调控的影响，为环境修复（如有机污染物降解）和可再生能源转化提供了理论支撑。

　　

物理和化学性质

TiO₂作为半导体材料存在锐钛矿（anatase，3.2 eV）、金红石（rutile，3.02 eV）和板钛矿（brookite，2.96 eV）三种晶相。其中锐钛矿因表面空穴捕获能力强成为最优光催化相，但其宽禁带特性限制了紫外光（UV）以外的太阳光谱利用。

合成方法

溶胶-凝胶法可精准调控粒径与晶相，适用于纳米颗粒和薄膜制备；水热/溶剂热法在高压密闭体系中生成高纯度TiO₂；化学气相沉积（CVD）虽需专用设备但能制备电子级均匀薄膜。新兴的绿色合成技术（如植物提取物还原）展现出环保优势。

光催化机制

光催化过程分为四步：光子吸收（需能量≥带隙）、电子-空穴对生成、电荷迁移至表面、触发氧化还原反应。关键挑战是抑制电子-空穴复合，金属（Ag/Fe/Zn）掺杂虽能引入中间能级扩展可见光吸收，但可能形成复合中心；非金属（N/C）掺杂通过形成O-Ti-N键更稳定地窄化带隙。

金属与非金属掺杂比较

银（Ag）掺杂可提升甲基橙降解率至94%（紫外光下），而氮（N）掺杂使亚甲基蓝降解速率提高3倍。非金属掺杂避免了金属离子的光腐蚀问题，但需优化掺杂浓度——例如2 at%氮掺杂TiO₂表现出最佳降解性能，过量则导致晶格畸变。

多功能应用拓展

除传统污染物降解外，Ag-TiO₂复合物对大肠杆菌的抑菌率达99.8%，归因于光生ROS破坏细胞膜。在能源领域，染料敏化太阳能电池（DSSCs）中N掺杂TiO₂将光电转换效率提升至9.1%。

挑战与展望

当前瓶颈在于规模化生产的成本控制与长期稳定性。未来方向包括开发双掺杂策略（如N-F共掺杂）、构建g-C₃N₄/TiO₂异质结增强电荷分离，以及利用等离子体共振（如Au纳米颗粒修饰）拓宽光响应范围。这些突破将推动TiO₂光催化剂在工业废水处理和氢能生产中的实际应用。