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成果簡介

TiO₂作為一種多功能過渡金屬氧化物，其應用范圍遍布能源轉換/存儲、環境修復、傳感器和光電子學等新興研究領域。由于其結構、形態、光學和電子特性的可調性使其成為研究最多的工程材料之一。盡管TiO₂是一種以其結構穩定和高表面活性而聞名的經典光催化劑，但基于TiO₂的光催化仍舊是一個活躍的領域，特別是在近年催化人工光合作用方面，展現出無與倫比的優勢。

有鑒于此，來自吉林大學的崔小強教授、鄭偉濤教授以及香港城市大學的Sai Kishore RAVI教授等人全面概述了用于人工光合作用的TiO₂的最新發展以及新興趨勢，對TiO₂在人工光合作用領域的發展提供了新思路。首先概述了TiO₂的總體發展趨勢。隨后，詳細介紹并討論了TiO₂的合成策略、結構、催化機制、性能優化策略以及在人工光合作用領域廣泛的應用，展現了TiO₂在人工光合作用解決能源和環境問題上的優勢和潛力。最后，總結了TiO₂的最新趨勢和進展，同時也強調了這一經典且快速發展的材料所面臨的持續挑戰和未來發展前景。相關成果發表于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—經典而現代的光催化劑，人工光合作用的最新發展和新興趨勢

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、異質結構和摻雜、應用以及未來的方向和挑戰

研究內容

（一）TiO₂納米材料的合成策略

近一個世紀以來，人們對TiO₂納米材料的合成進行性了廣泛的研究。首先討論了TiO₂的納米級控制，隨后詳細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合成領域的新興方法。這些合成策略使得能夠制造具有特定性質以及增強光催化性能的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的基本結構以及人工光合作用的基本原理及過程。

（三）TiO₂納米材料在人工光合作用中的優化策略

本文從TiO₂納米材料的改性與表面工程、異質結構和摻雜以及與其他材料雜化的協同效應等方面闡述了TiO₂納米材料的性能優化策略。

（四）TiO₂納米材料在人工光合作用中的應用

TiO₂的諸多合成和優化策略使其在人工光合作用領域的有著廣泛的應用，包括太陽能燃料生產、有機光降解、二氧化碳減排和可再生能源存儲。

圖2. TiO₂基納米材料在人工光合作用領域廣泛的應用

（五）未來趨勢與挑戰

盡管基于TiO₂的催化人工光合作用仍舊是一個活躍的領域，但TiO₂的發展之路仍有很多挑戰和未解決的問題。為了促進TiO₂材料的可持續發展，認識和解決TiO₂納米材料催化人工光合作用的挑戰和難題是至關重要的。在此，本文提出了TiO₂納米材料當前發展存在的挑戰以及未來前景，旨在為未來的道路提供方向。

圖3. TiO₂人工光合作用領域的當前挑戰和未來前景

結論與展望

總之，基于TiO₂的人工光合作用代表了一個充滿活力且快速發展的研究領域。憑借其經典基礎和當代創新，TiO₂繼續激勵著不同學科的研究人員。通過全球合作和利用跨學科專業知識，我們對TiO₂徹底改變能源生產、環境修復和可持續發展領域的潛力持樂觀態度。通過不斷的研究和發現，基于TiO₂的人工光合作用無疑將超越本次綜述所涵蓋的綜合范圍，引領我們走向更綠色、更可持續的未來。

作者簡介

第一作者：阮曉文

阮曉文博士，2023年畢業于吉林大學材料物理與化學專業，師從崔小強教授。2023年加入香港城市大學能源及環境學院任博士后，合作導師是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等國際知名期刊上發表10余篇文章，其中3篇曾入選ESI高被引/熱點論文。

共同第一作者：李世杰

吉林大學材料科學與工程學院材料物理與化學專業2019級本科生，師從崔小強教授。主要研究方向為用于光催化CO₂及貴金屬助催化劑的設計與性能研究。

論文通訊作者：崔小強教授

吉林大學材料科學與工程學院教授/博士生導師，副院長。崔小強教授主要研究方向為能源催化材料，面向氫能綜合利用、燃料電池汽車等國家重大戰略需求，從原子尺度上開展高效催化劑的設計和制備研究。相關研究成果連續發表在Nature Communications（3篇）、AM、JACS、AEM、AFM、Angew、Chem、Matter等學科頂級期刊，被多次正面引用。累計發表SCI論文150余篇，他引4800余次，H因子37；主持科技部國家重點研發計劃納米專項課題（1項，712萬）、國家自然科學基金面上項目（5項）等。申請國家發明專利43項，授權29項。獲教育部“新世紀優秀人才”計劃支持、吉林省“長白山學者”、吉林省第七批拔尖創新人才第三層次、吉林省第十六批享受政府津貼專家（省有突出貢獻專家）、長春市第六、七批有突出貢獻專家，吉林大學“三全育人”育人標兵等榮譽稱號。擔任中國材料研究學會青年工作委員會第七、第八屆理事會理事（2011.10至今），中國材料學會納米材料與器件分會首屆理事會（2014.4至今）、中國有色金屬學會貴金屬學術委員會會員（2018.5至今）、中國材料學會終身會員（2021.2年至今）、《中國材料進展》期刊第五屆編輯委員會青年委員（2021.4年至今）。

論文通訊作者：Sai Kishore RAVI

Sai教授是香港城市大學助理教授。博士畢業于新加坡國立大學，之后在新加坡國立大學擔任研究員。Sai教授的研究興趣包括：(1) 太陽能燃料（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/生物催化水處理、廢水轉化為能源技術、太陽能脫鹽；(3) 可持續生物電子（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（空氣過濾器、電子紡織品和個人熱管理）。迄今在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy & Environmental Science, Nature Communications, and Science Advances等國際著名期刊上發表論文，多個專利。

論文通訊作者：鄭偉濤

理學博士，唐敖慶卓越教授，博士生導師。教育部長江學者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，國家“新世紀百千萬人才工程”國家級人選。兼任國際衍射數據中心（ICDD）委員，中國材料研究學會常務理事，國務院學位委員會學科評議組成員，教育部科學技術委員會學部委員，教育部高等學校教學指導委員會委員，國家自然科學基金委員會專家評審組成員，國際《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、儲能電極材料、量子點材料等研究，主持國家863、國家基金委重點項目、科技部重大儀器專項、“高等學校學科創新引智計劃”等，獲得吉林省科技進步獎一等獎（2008年）、吉林省自然科學獎一等獎2項（2016年，2020年）（均為第一完成人），獲得中國發明專利40余項，發表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》等。

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