港城大/吉大最新AM综述：TiO2—经典而现代的光催化剂，人工光合作用的最新发展和新兴趋势

成果简介

TiO₂作为一种多功能过渡金属氧化物，其应用范围遍布能源转换/存储、环境修复、传感器和光电子学等新兴研究领域。由于其结构、形态、光学和电子特性的可调性使其成为研究最多的工程材料之一。尽管TiO₂是一种以其结构稳定和高表面活性而闻名的经典光催化剂，但基于TiO₂的光催化仍旧是一个活跃的领域，特别是在近年催化人工光合作用方面，展现出无与伦比的优势。

有鉴于此，来自吉林大学的崔小强教授、郑伟涛教授以及香港城市大学的Sai Kishore RAVI教授等人全面概述了用于人工光合作用的TiO₂的最新发展以及新兴趋势，对TiO₂在人工光合作用领域的发展提供了新思路。首先概述了TiO₂的总体发展趋势。随后，详细介绍并讨论了TiO₂的合成策略、结构、催化机制、性能优化策略以及在人工光合作用领域广泛的应用，展现了TiO₂在人工光合作用解决能源和环境问题上的优势和潜力。最后，总结了TiO₂的最新趋势和进展，同时也强调了这一经典且快速发展的材料所面临的持续挑战和未来发展前景。相关成果发表于Advanced Materials，题为 “Catalyzing Artificial Photosynthesis with TiO₂ Heterostructures and Hybrids – Emerging Trends in a Classical yet Contemporary Photocatalyst” ，文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202305285

港城大/吉大最新AM综述：TiO2—经典而现代的光催化剂，人工光合作用的最新发展和新兴趋势

图1. 基于TiO₂的人工光合作用：合成策略、基本原理、表面和改性工程、杂化、异质结构和掺杂、应用以及未来的方向和挑战

研究内容

（一）TiO₂纳米材料的合成策略

近一个世纪以来，人们对TiO₂纳米材料的合成进行性了广泛的研究。首先讨论了TiO₂的纳米级控制，随后详细介绍了三种常见的成熟的合成方法：水热法、溶胶-凝胶法以及模板法，最后，综述了TiO₂合成领域的新兴方法。这些合成策略使得能够制造具有特定性质以及增强光催化性能的TiO₂。

（二）TiO₂纳米材料的人工光合作用的基本原理

本部分则介绍了TiO₂的基本结构以及人工光合作用的基本原理及过程。

（三）TiO₂纳米材料在人工光合作用中的优化策略

本文从TiO₂纳米材料的改性与表面工程、异质结构和掺杂以及与其他材料杂化的协同效应等方面阐述了TiO₂纳米材料的性能优化策略。

（四）TiO₂纳米材料在人工光合作用中的应用

TiO₂的诸多合成和优化策略使其在人工光合作用领域的有着广泛的应用，包括太阳能燃料生产、有机光降解、二氧化碳减排和可再生能源存储。

图2. TiO₂基纳米材料在人工光合作用领域广泛的应用

（五）未来趋势与挑战

尽管基于TiO₂的催化人工光合作用仍旧是一个活跃的领域，但TiO₂的发展之路仍有很多挑战和未解决的问题。为了促进TiO₂材料的可持续发展，认识和解决TiO₂纳米材料催化人工光合作用的挑战和难题是至关重要的。在此，本文提出了TiO₂纳米材料当前发展存在的挑战以及未来前景，旨在为未来的道路提供方向。

图3. TiO₂人工光合作用领域的当前挑战和未来前景

结论与展望

总之，基于TiO₂的人工光合作用代表了一个充满活力且快速发展的研究领域。凭借其经典基础和当代创新，TiO₂继续激励着不同学科的研究人员。通过全球合作和利用跨学科专业知识，我们对TiO₂彻底改变能源生产、环境修复和可持续发展领域的潜力持乐观态度。通过不断的研究和发现，基于TiO₂的人工光合作用无疑将超越本次综述所涵盖的综合范围，引领我们走向更绿色、更可持续的未来。

作者简介

第一作者：阮晓文

阮晓文博士，2023年毕业于吉林大学材料物理与化学专业，师从崔小强教授。2023年加入香港城市大学能源及环境学院任博士后，合作导师是Sai Kishore RAVI教授。主要从事光降解污染物、光解水制氢、CO₂还原等新型低维材料的构建及性能研究。目前以第一/通讯作者在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Small, Small Methods, Chemical Engineering Journal等国际知名期刊上发表10余篇文章，其中3篇曾入选ESI高被引/热点论文。

共同第一作者：李世杰

吉林大学材料科学与工程学院材料物理与化学专业2019级本科生，师从崔小强教授。主要研究方向为用于光催化CO₂及贵金属助催化剂的设计与性能研究。

论文通讯作者：崔小强教授

吉林大学材料科学与工程学院教授/博士生导师，副院长。崔小强教授主要研究方向为能源催化材料，面向氢能综合利用、燃料电池汽车等国家重大战略需求，从原子尺度上开展高效催化剂的设计和制备研究。相关研究成果连续发表在Nature Communications（3篇）、AM、JACS、AEM、AFM、Angew、Chem、Matter等学科顶级期刊，被多次正面引用。累计发表SCI论文150余篇，他引4800余次，H因子37；主持科技部国家重点研发计划纳米专项课题（1项，712万）、国家自然科学基金面上项目（5项）等。申请国家发明专利43项，授权29项。获教育部“新世纪优秀人才”计划支持、吉林省“长白山学者”、吉林省第七批拔尖创新人才第三层次、吉林省第十六批享受政府津贴专家（省有突出贡献专家）、长春市第六、七批有突出贡献专家，吉林大学“三全育人”育人标兵等荣誉称号。担任中国材料研究学会青年工作委员会第七、第八届理事会理事（2011.10至今），中国材料学会纳米材料与器件分会首届理事会（2014.4至今）、中国有色金属学会贵金属学术委员会会员（2018.5至今）、中国材料学会终身会员（2021.2年至今）、《中国材料进展》期刊第五届编辑委员会青年委员（2021.4年至今）。

论文通讯作者：Sai Kishore RAVI

Sai教授是香港城市大学助理教授。博士毕业于新加坡国立大学，之后在新加坡国立大学担任研究员。Sai教授的研究兴趣包括：(1) 太阳能燃料（半人工光合作用、绿色氢气、光催化/生物催化CO₂还原）；(2) 光介导/生物催化水处理、废水转化为能源技术、太阳能脱盐；(3) 可持续生物电子（生物电容器、自供电触觉传感器和电子纸）；(4) 功能性纳米纤维（空气过滤器、电子纺织品和个人热管理）。迄今在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy & Environmental Science, Nature Communications, and Science Advances等国际著名期刊上发表论文，多个专利。

论文通讯作者：郑伟涛

理学博士，唐敖庆卓越教授，博士生导师。教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，国家“新世纪百千万人才工程”国家级人选。兼任国际衍射数据中心（ICDD）委员，中国材料研究学会常务理事，国务院学位委员会学科评议组成员，教育部科学技术委员会学部委员，教育部高等学校教学指导委员会委员，国家自然科学基金委员会专家评审组成员，国际《Appl.Surf.Sci》、《Vacuum》杂志编委等职。主要从事超硬薄膜材料、功能薄膜材料、石墨烯等碳纳米材料、储能电极材料、量子点材料等研究，主持国家863、国家基金委重点项目、科技部重大仪器专项、“高等学校学科创新引智计划”等，获得吉林省科技进步奖一等奖（2008年）、吉林省自然科学奖一等奖2项（2016年，2020年）（均为第一完成人），获得中国发明专利40余项，发表SCI收录论文700余篇，SCI他引25000余次。著有《薄膜材料与薄膜技术》等。

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