二氧化鈦作為重要的新能源和環(huán)境保護(hù)材料，在光催化、太陽能發(fā)電、太陽能集熱等方面被廣泛應(yīng)用。然而，二氧化鈦的太陽能利用面臨巨大的挑戰(zhàn)，主要原因在于光吸收范圍窄、電子-空穴對的分離效率低。二氧化鈦只能吸收太陽光譜中~5%的紫外光，而無法利用可見光和近紅外光的能量;本征電導(dǎo)率只有~10-10 S/cm，不利于光生電子-空穴對的分離和傳輸。這些問題嚴(yán)重影響了二氧化鈦在能源與環(huán)境領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，無法充分利用太陽能。
最近，研究人員原創(chuàng)地發(fā)展出多種新型制備方法(氫等離子法、鋁還原法、二步非金屬摻雜法)，大幅提高了太陽光譜中可見光和近紅外光的吸收，效果明顯。這些最新發(fā)現(xiàn)的黑色二氧化鈦納米晶，不同于高溫氫氣還原的黑色氧化鈦，為一種核殼結(jié)構(gòu)，核區(qū)仍為結(jié)晶的二氧化鈦，外殼為無定型的結(jié)構(gòu)，其中無序的外殼是使白色二氧化鈦變成黑色的功能區(qū)域，無序的外殼包含氧空位或非金屬X摻雜(X=H、N、S、I)。該結(jié)構(gòu)可導(dǎo)致對太陽光的吸收高達(dá)85%，遠(yuǎn)優(yōu)于文獻(xiàn)報道(30%)。
良好的太陽能寬譜吸收、化學(xué)物理穩(wěn)定性，以及改善的載流子濃度和電子遷移性能，可以滿足高效太陽能的要求。其中，氮摻雜的納米黑色二氧化鈦，太陽光催化分解水，產(chǎn)氫率達(dá)到15 mmol h-1 g-1，處于報道最優(yōu)異的可見光催化劑之列;對有機(jī)污染物的降解速率是商用納米二氧化鈦(P25)的四倍。黑色二氧化鈦納米管陣列用作光化學(xué)電池(PEC)電極，光能向氫化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.67%，為二氧化鈦基PEC轉(zhuǎn)換效率的最優(yōu)值。
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