摘要 光/光電催化引起了全球研究人員的極大關(guān)注，通過光/光電催化可以進行水處理、水分解制氫和有機合成，從而解決能源和環(huán)境問題。 用于能源和環(huán)境應(yīng)用的半導(dǎo)體二氧化鈦（TiO2）納米材料光電催化劑引起了廣泛的研究興趣，然而，主要的應(yīng)用瓶頸是其較大的帶隙。 在基于TiO2的光催化材料中引入缺陷是改善光/光電催化性能的一種有前途的策略，對TiO2的缺陷進行工程改造可以拓寬光電響應(yīng)并提高電荷分離效率。 本綜述先從光/光電催化反應(yīng)機理上展開，提出了缺陷型TiO2的引入可以提高其光/光電催化活性，并系統(tǒng)總結(jié)了一些用于制備缺陷或黑色TiO2的常用合成方法和缺陷工程策略，隨后，詳細闡述了缺陷TiO2在光/光電催化應(yīng)用方面的最新進展。 最后，對缺陷TiO2在光/光電催化方面的研究簡要總結(jié)，并提出了潛在的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 缺陷二氧化鈦；光電催化；納米材料；改性

中圖分類號：O643 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0518（2025）02-0149-19

隨著人們生活質(zhì)量的提高和對能源的巨大需求，化石燃料資源的枯竭已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的最大障礙，而太陽能作為一種可持續(xù)的清潔能源，目前已經(jīng)對其應(yīng)用進行了諸多探索，如： 太陽能電池、光/光電催化等［1-3］。 半導(dǎo)體光催化作為一種高效的現(xiàn)代綠色技術(shù)，在有毒污染物降解、太陽能電池、水體修復(fù)和氫氣制備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

光催化可以利用太陽能激發(fā)的光生電子和空穴來引發(fā)還原、氧化化學(xué)反應(yīng)（圖1A），而將光催化劑用作光陽極時，向其施加一定的偏置電壓，使光生電子遷移到外部電路，這些光生載流子被電場分離后與溶液中離子分別進行氧化和還原反應(yīng)，這就是光電催化（圖1B）。 光電催化結(jié)合了電催化的優(yōu)點，并且將催化劑固定在電極上使光催化劑粉末難以回收的缺點得到了解決，在有機污染物的降解、產(chǎn)氫、CO2還原、重金屬的去除和固氮等各種太陽能驅(qū)動的反應(yīng)中有著廣泛的應(yīng)用［4-8］。

光/光電催化過程的效率取決于開發(fā)一種合適的半導(dǎo)體作為光電催化劑，該半導(dǎo)體在太陽光的可見光區(qū)域具有廣泛的吸收性、電荷載體的低復(fù)合率和穩(wěn)定性。 在各種半導(dǎo)體中，TiO2因其具有催化活性高、穩(wěn)定、耐腐蝕、對人體無害和重復(fù)可用性高等優(yōu)點，是目前用途最廣泛的半導(dǎo)體光催化劑之一，在光/光電催化［9-10］、超級電容器［11］和太陽能電池［12-13］方面均有著廣泛的研究［9-13］。 人們通過不同工藝制備出具有不同微觀形態(tài)的TiO2，如： 納米管陣列［14］、納米棒［15］、納米花［16］和納米復(fù)合材料［17］等被廣泛應(yīng)用于有機污染物降解、CO2還原和H2制備等光/光電催化領(lǐng)域（圖2）［19］，這些特殊的結(jié)構(gòu)可以促進電子轉(zhuǎn)移，并提供較大的活性表面積以增加材料活性從而加速表面反應(yīng)。

1972年，F(xiàn)ujishima等［20］將TiO2首次應(yīng)用于光催化水分解以來，人們對TiO2的光催化性能和應(yīng)用進行了大量的研究［21-26］。 然而，由于TiO2僅能吸收利用紫外光［27］，這導(dǎo)致TiO2對太陽能轉(zhuǎn)化率很低，只能利用約4%的太陽光能量。 因此，采用了不同的策略解決這一問題，而對其進行Ti3+的本征摻雜由于缺陷的引入可以對其性能進行有效的改善，因為TiO2會轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏室话惴Q其為黑色TiO2。 2011年，Chen等［28］在納米TiO2中通過加氫首次合成了黑色TiO2，然而，由于文獻報道的性能差異很大，很難對黑色TiO2做出明確的定義。 黑色TiO2其外觀不一定是黑色的，材料顏色發(fā)生改變主要是由于Ti3+和氧空位等缺陷的引入而造成其顏色變化（如棕色、灰色、黃色和藍色TiO2等，圖3）［29］。 這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了全世界對有缺陷的TiO2納米材料的興趣。 TiO2缺陷工程前景廣闊，因為缺陷的存在、缺陷濃度和分布在調(diào)整TiO2的電子、化學(xué)和表面特性方面起著關(guān)鍵作用。 通過合理的缺陷設(shè)計和調(diào)控，可以大大提高TiO2的光吸收能力，并且缺陷可以作為活性中心，提高TiO2的光活性。 這些缺陷設(shè)計大大改善了TiO2的光學(xué)和電學(xué)性能，使其成為研究熱點。 因此，總結(jié)缺陷TiO2在能源和環(huán)境領(lǐng)域的研究進展具有重要意義和即時性，可能為制備高性能缺陷TiO2提供新思路。 同時，許多學(xué)者對缺陷TiO2進行了進一步的摻雜改性，利用減小其帶隙［30-33］或促進光生載流子分離等［34-35］方法來進一步提高其光電催化性能，使得其對光的利用率更好、光電轉(zhuǎn)化效率更高。 這些研究將推進缺陷TiO2的實際應(yīng)用性，促使缺陷TiO2的光電催化成為非常有應(yīng)用前景的能源利用和環(huán)境改善的新方向。 本文重點介紹缺陷TiO2在光電催化方面的應(yīng)用原理，以及其制備和改性的研究進展，同時對其在光電催化方面的應(yīng)用進行了展望。