溫耐

摘 要：介孔二氧化鈦由于其獨特的電學和光學性質而被廣泛研究。具有高表面積和孔徑均勻的介孔二氧化鈦材料被應用在眾多領域。這里主要綜述了介孔二氧化鈦在光催化，太陽能電池，鋰離子電池，傳感器和催化劑載體方面的應用。

關鍵詞：介孔二氧化鈦材料；光催化；太陽能電池；傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.047

0 引言

最近研究發(fā)現(xiàn)二氧化鈦應用在光催化能夠分解凈化各種各樣在水和空氣中的污染物，實現(xiàn)環(huán)境凈化。另一方面，在染料敏化太陽能電池（DSSC）應用中，介孔二氧化鈦具有高表面積和大的孔徑率常常能滿足高效率的需求。此外介孔TiO2在鋰離子電池、傳感器和催化劑載體方面的應用也被廣泛的研究。

1 介孔二氧化鈦在光催化中的應用

氫被認為是未來的理想燃料。目前，商業(yè)生產氫（高達95%）主要來自于化石燃料。由于其成本低和清潔可再生的過程，光催化分解水成為一個有前途的替代品。二氧化鈦被已經證明是作為用于光催化最優(yōu)選的半導體之一，由于其適當?shù)膸逗臀恢?，高量子效率，無毒性，成本低，并長期穩(wěn)定，這已被廣泛用于在光催化水分解為氫代，以及在水和空氣凈化污染物分解上。TiO2是在光催化水分解中最廣泛使用的半導體。

在光催化分解水的過程中主要有三個步驟（圖1）：（1）通過半導體光催化劑的光子吸收形成電子 - 空穴對；（2）載體分離和遷移到

催化劑表面上；（3）氧化還原反應，以產生H2和O2。在第二步驟中，為了最大限度地減少缺陷載體（電子和空穴）復合，并實現(xiàn)高分離效率，通常期望光催化劑具有理想的高結晶度。在第三步驟中，期望有一個大的光催化劑表面積，因為它可以提供更多的吸附和反應位點。介孔TiO2作為光催化水分解過程的半導體光催化劑無論是高結晶度和大表面積都是非常理想的。

最近環(huán)境保護受到越來越多的關注，多相光催化環(huán)境清理一直是最活躍的領域之一，由于光催化生成電子空穴對的同時沒有創(chuàng)建有害副產品，被認為是一個綠色的方法。根據(jù)氧化還原每一個吸附物的潛能（或能量）會發(fā)生自發(fā)吸附在流體階段（氣體或液體）：實現(xiàn)接受分子的電子轉移收益，而積極的空穴轉移到供體分子上。光催化反應的發(fā)生，可使有機和無機化合物，甚至微生物降解或轉化為較少的有害物質。作為與光催化水分解類似，需要二氧化鈦的高結晶度和大表面積達到一個高的光催化活性。

增加活性的另一種方法是通過摻雜的方法增強二氧化鈦材料對可見光的吸收。Liu等發(fā)現(xiàn)了可大大增強可見光吸收和光催化活性的高B/N摻雜介孔TiO2。他們提出，形成B摻雜二氧化鈦的氮化后在表面上形成O-Ti-B-N的結構。B/N摻雜的介孔二氧化鈦的羅丹明光降解反應活性比分別在紫外的照射和可見光的照射下的未摻雜的樣品高22和65倍[1]。O-Ti-B結構的存在有助于可見光吸收和O-Ti-B-N結構用作一種有效的助催化劑。O-Ti-B-N結構的形成導致便于分離和電荷載體傳輸，從而促進了光催化活性的良好表面結構的形成。

2 介孔二氧化鈦在太陽能電池中的應用

雖然傳統(tǒng)的光伏設備（硅基太陽能電池）可以將光子直接轉換成電子，但這些電池因高昂成本與常規(guī)發(fā)電方法缺乏競爭力。相反，DSSC由于它們的高的轉換效率和低成本吸引了眾多目光，并且基礎和實驗已進行了廣泛的研究階段。截至目前，整體轉換效率已被證實超過11%。典型的DSSC包含沉積在透明導電氧化物（TCO）玻璃上的TiO2納米晶層和電解質系統(tǒng)以及Pt對電極（圖2）。 二氧化鈦的作用是從染料到TCO上的染料分子吸附和光激發(fā)電子的運輸。具有10-30nm尺寸的納米晶二氧化鈦已經被用來構造一個無序的納米多孔層。有序中孔二氧化鈦膜可以表現(xiàn)得更好，因為高表面積的有序孔隙會提供給染料和空穴轉運更好的可接近性。

3 介孔二氧化鈦在鋰離子電池中的應用

二氧化鈦理論上可以容納一個鋰公式單元作為LixTiO2（0≤x≤1），涉及Ti4+ / Ti3+氧化還原電對。二氧化鈦等提供了一些在充放電過程中有吸引力的功能有較低體積變化，較低的生產成本和低毒性。雖然二氧化鈦的工作潛力對于負電極是高的，但是其在常見的電解質中的電化學穩(wěn)定性和沒有有害固體電解質界面（SEI）層上產生更好的超載保護和安全。銳鈦礦相通常被認為是在二氧化鈦的不同多晶型物中的最電活性的。使用六角孔壁結構的二氧化鈦作為鋰離子電池的電極材料，獲得了大的比容量及高的充放電速率。大比容量起因于納米材料的高表面積，而充放電高速率歸因于介孔二氧化鈦納米管的三維網絡結構。另外，Yoon等報道，空心核殼介孔TiO2球表現(xiàn)出了良好的循環(huán)性能和高倍率性能高容量[2]。

4 總結

總之，具有比表面積大，孔徑均勻和傳質開放式架構的介孔TiO2具有許多良好的應用前景。介孔TiO2在光催化，太陽能電池，鋰離子電池，傳感器和催化劑載體方面的應用已經被廣泛研究。為了實現(xiàn)更加多的高效性能，具有高結晶度，混合物結晶相，特定的結晶面，不同摻雜物，特殊形態(tài)，或多功能結構（例如核 - 殼結構）的介孔二氧化鈦材料仍然需要進一步的研究。

參考文獻：

[1]S.Yoon，A.Manthiram，J.Phys.Chem.C 115（2011）9410—9416.