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成果簡(jiǎn)介

TiO₂作為一種多功能過(guò)渡金屬氧化物，其應(yīng)用范圍遍布能源轉(zhuǎn)換/存儲(chǔ)、環(huán)境修復(fù)、傳感器和光電子學(xué)等新興研究領(lǐng)域。由于其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、光學(xué)和電子特性的可調(diào)性使其成為研究最多的工程材料之一。盡管TiO₂是一種以其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和高表面活性而聞名的經(jīng)典光催化劑，但基于TiO₂的光催化仍舊是一個(gè)活躍的領(lǐng)域，特別是在近年催化人工光合作用方面，展現(xiàn)出無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。

有鑒于此，來(lái)自吉林大學(xué)的崔小強(qiáng)教授、鄭偉濤教授以及香港城市大學(xué)的Sai Kishore RAVI教授等人全面概述了用于人工光合作用的TiO₂的最新發(fā)展以及新興趨勢(shì)，對(duì)TiO₂在人工光合作用領(lǐng)域的發(fā)展提供了新思路。首先概述了TiO₂的總體發(fā)展趨勢(shì)。隨后，詳細(xì)介紹并討論了TiO₂的合成策略、結(jié)構(gòu)、催化機(jī)制、性能優(yōu)化策略以及在人工光合作用領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，展現(xiàn)了TiO₂在人工光合作用解決能源和環(huán)境問(wèn)題上的優(yōu)勢(shì)和潛力。最后，總結(jié)了TiO₂的最新趨勢(shì)和進(jìn)展，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了這一經(jīng)典且快速發(fā)展的材料所面臨的持續(xù)挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展前景。相關(guān)成果發(fā)表于Advanced Materials，題為 “Catalyzing Artificial Photosynthesis with TiO₂ Heterostructures and Hybrids – Emerging Trends in a Classical yet Contemporary Photocatalyst” ，文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202305285

港城大/吉大最新AM綜述: TiO2—經(jīng)典而現(xiàn)代的光催化劑，人工光合作用的最新發(fā)展和新興趨勢(shì)

圖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、雜化、異質(zhì)結(jié)構(gòu)和摻雜、應(yīng)用以及未來(lái)的方向和挑戰(zhàn)

研究?jī)?nèi)容

（一）TiO₂納米材料的合成策略

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人們對(duì)TiO₂納米材料的合成進(jìn)行性了廣泛的研究。首先討論了TiO₂的納米級(jí)控制，隨后詳細(xì)介紹了三種常見的成熟的合成方法：水熱法、溶膠-凝膠法以及模板法，最后，綜述了TiO₂合成領(lǐng)域的新興方法。這些合成策略使得能夠制造具有特定性質(zhì)以及增強(qiáng)光催化性能的TiO₂。

（二）TiO₂納米材料的人工光合作用的基本原理

本部分則介紹了TiO₂的基本結(jié)構(gòu)以及人工光合作用的基本原理及過(guò)程。

（三）TiO₂納米材料在人工光合作用中的優(yōu)化策略

本文從TiO₂納米材料的改性與表面工程、異質(zhì)結(jié)構(gòu)和摻雜以及與其他材料雜化的協(xié)同效應(yīng)等方面闡述了TiO₂納米材料的性能優(yōu)化策略。

（四）TiO₂納米材料在人工光合作用中的應(yīng)用

TiO₂的諸多合成和優(yōu)化策略使其在人工光合作用領(lǐng)域的有著廣泛的應(yīng)用，包括太陽(yáng)能燃料生產(chǎn)、有機(jī)光降解、二氧化碳減排和可再生能源存儲(chǔ)。

圖2. TiO₂基納米材料在人工光合作用領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用

（五）未來(lái)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

盡管基于TiO₂的催化人工光合作用仍舊是一個(gè)活躍的領(lǐng)域，但TiO₂的發(fā)展之路仍有很多挑戰(zhàn)和未解決的問(wèn)題。為了促進(jìn)TiO₂材料的可持續(xù)發(fā)展，認(rèn)識(shí)和解決TiO₂納米材料催化人工光合作用的挑戰(zhàn)和難題是至關(guān)重要的。在此，本文提出了TiO₂納米材料當(dāng)前發(fā)展存在的挑戰(zhàn)以及未來(lái)前景，旨在為未來(lái)的道路提供方向。

圖3. TiO₂人工光合作用領(lǐng)域的當(dāng)前挑戰(zhàn)和未來(lái)前景

結(jié)論與展望

總之，基于TiO₂的人工光合作用代表了一個(gè)充滿活力且快速發(fā)展的研究領(lǐng)域。憑借其經(jīng)典基礎(chǔ)和當(dāng)代創(chuàng)新，TiO₂繼續(xù)激勵(lì)著不同學(xué)科的研究人員。通過(guò)全球合作和利用跨學(xué)科專業(yè)知識(shí)，我們對(duì)TiO₂徹底改變能源生產(chǎn)、環(huán)境修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的潛力持樂(lè)觀態(tài)度。通過(guò)不斷的研究和發(fā)現(xiàn)，基于TiO₂的人工光合作用無(wú)疑將超越本次綜述所涵蓋的綜合范圍，引領(lǐng)我們走向更綠色、更可持續(xù)的未來(lái)。

作者簡(jiǎn)介

第一作者：阮曉文

阮曉文博士，2023年畢業(yè)于吉林大學(xué)材料物理與化學(xué)專業(yè)，師從崔小強(qiáng)教授。2023年加入香港城市大學(xué)能源及環(huán)境學(xué)院任博士后，合作導(dǎo)師是Sai Kishore RAVI教授。主要從事光降解污染物、光解水制氫、CO₂還原等新型低維材料的構(gòu)建及性能研究。目前以第一/通訊作者在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Small, Small Methods, Chemical Engineering Journal等國(guó)際知名期刊上發(fā)表10余篇文章，其中3篇曾入選ESI高被引/熱點(diǎn)論文。

共同第一作者：李世杰

吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料物理與化學(xué)專業(yè)2019級(jí)本科生，師從崔小強(qiáng)教授。主要研究方向?yàn)橛糜诠獯呋疌O₂及貴金屬助催化劑的設(shè)計(jì)與性能研究。

論文通訊作者：崔小強(qiáng)教授

吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授/博士生導(dǎo)師，副院長(zhǎng)。崔小強(qiáng)教授主要研究方向?yàn)槟茉创呋牧希嫦驓淠芫C合利用、燃料電池汽車等國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，從原子尺度上開展高效催化劑的設(shè)計(jì)和制備研究。相關(guān)研究成果連續(xù)發(fā)表在Nature Communications（3篇）、AM、JACS、AEM、AFM、Angew、Chem、Matter等學(xué)科頂級(jí)期刊，被多次正面引用。累計(jì)發(fā)表SCI論文150余篇，他引4800余次，H因子37；主持科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米專項(xiàng)課題（1項(xiàng)，712萬(wàn)）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（5項(xiàng)）等。申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利43項(xiàng)，授權(quán)29項(xiàng)。獲教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”計(jì)劃支持、吉林省“長(zhǎng)白山學(xué)者”、吉林省第七批拔尖創(chuàng)新人才第三層次、吉林省第十六批享受政府津貼專家（省有突出貢獻(xiàn)專家）、長(zhǎng)春市第六、七批有突出貢獻(xiàn)專家，吉林大學(xué)“三全育人”育人標(biāo)兵等榮譽(yù)稱號(hào)。擔(dān)任中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)第七、第八屆理事會(huì)理事（2011.10至今），中國(guó)材料學(xué)會(huì)納米材料與器件分會(huì)首屆理事會(huì)（2014.4至今）、中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)貴金屬學(xué)術(shù)委員會(huì)會(huì)員（2018.5至今）、中國(guó)材料學(xué)會(huì)終身會(huì)員（2021.2年至今）、《中國(guó)材料進(jìn)展》期刊第五屆編輯委員會(huì)青年委員（2021.4年至今）。

論文通訊作者：Sai Kishore RAVI

Sai教授是香港城市大學(xué)助理教授。博士畢業(yè)于新加坡國(guó)立大學(xué)，之后在新加坡國(guó)立大學(xué)擔(dān)任研究員。Sai教授的研究興趣包括：(1) 太陽(yáng)能燃料（半人工光合作用、綠色氫氣、光催化/生物催化CO₂還原）；(2) 光介導(dǎo)/生物催化水處理、廢水轉(zhuǎn)化為能源技術(shù)、太陽(yáng)能脫鹽；(3) 可持續(xù)生物電子（生物電容器、自供電觸覺傳感器和電子紙）；(4) 功能性納米纖維（空氣過(guò)濾器、電子紡織品和個(gè)人熱管理）。迄今在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy & Environmental Science, Nature Communications, and Science Advances等國(guó)際著名期刊上發(fā)表論文，多個(gè)專利。

論文通訊作者：鄭偉濤

理學(xué)博士，唐敖慶卓越教授，博士生導(dǎo)師。教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，國(guó)家杰出青年基金獲得者，國(guó)家“新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程”國(guó)家級(jí)人選。兼任國(guó)際衍射數(shù)據(jù)中心（ICDD）委員，中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)常務(wù)理事，國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)學(xué)科評(píng)議組成員，教育部科學(xué)技術(shù)委員會(huì)學(xué)部委員，教育部高等學(xué)校教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)專家評(píng)審組成員，國(guó)際《Appl.Surf.Sci》、《Vacuum》雜志編委等職。主要從事超硬薄膜材料、功能薄膜材料、石墨烯等碳納米材料、儲(chǔ)能電極材料、量子點(diǎn)材料等研究，主持國(guó)家863、國(guó)家基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部重大儀器專項(xiàng)、“高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃”等，獲得吉林省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（2008年）、吉林省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)（2016年，2020年）（均為第一完成人），獲得中國(guó)發(fā)明專利40余項(xiàng)，發(fā)表SCI收錄論文700余篇，SCI他引25000余次。著有《薄膜材料與薄膜技術(shù)》等。

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