1970年代，全球爆发了一次石油危机。1972年，日本科学家在英国Nature杂志上首先报道了用TiO2作为光催化剂分解水制备氢气，该发现对于利用太阳能制备氢气作为清洁能源有重大意义，所以论文一发表就立即得到学术界的广泛关注。接着，1977 年，科学家Bard 尝试用TiO2 光催化剂把CN-氧化为OCN-，开创了用光催化剂降解污水中有机物的先河。这对于解决目前全球工业化发展中出现的日益严重的环境污染问题有积极意义。

1.1 纳米TiO2的技术特点

半导体光催化的原理如下: 用光照射半导体，当照射光光子的能量等于或高于半导体的带隙能量时，半导体的价带电子就可吸收光子的能量并跃迁到导带，同时产生光生电子－空穴对，快速迁移到半导体表面的空穴和光生电子分别与吸附在半导体表面的氧分子和水分子作用，产生具有强氧化作用的活性氧和羟基，并与其接触的化学物质发生氧化还原反应，使有毒有害物质降解，转化为无毒无害物质。半导体的禁带宽度决定了光催化剂的激发波长。禁带越宽，所需要的激发光光子能量越大，光波波长越短；反之，禁带越窄，所需要的激发光波长越长。表1 为一些代表性半导体的禁带宽度。

微米尺寸的TiO2对紫外光几乎不吸收，而纳米TiO2粒子对紫外光有强吸收作用，这与纳米材料的表面效应有关。纳米TiO2粒子在紫外光照射下，价带中的电子被激发，从价带向导带跃迁，从而形成电子-空穴对。纳米TiO2粒子禁带宽度为3.0至3.2 eV，能隙较大，产生的光生电子和空穴的电势电位较高，氧化还原性较强。另外，纳米TiO2粒子在日光照射下化学性质十分稳定，不会发生光腐蚀，并且耐酸碱性好，对生物组织无毒性。当然，纳米TiO2粒子也存在光量子效率偏低、易失活、难回收等不足。

纳米TiO2的制备方法很多，常用的有物理法和化学法。一般来说，物理法的制备工艺过程简单很多，例如高能球磨法和物理气相冷凝法，但是物理法在制备过程中，存在原料物性相差较大、不易完全混合均匀等问题，制备的产品形貌、粒径、性能等均匀性和一致性欠佳。化学法主要包括化学气相法(例如激光化学气相沉积法)、液相法(例如溶胶-凝胶Sol-Gel法和水解沉淀法)、以及固相法(例如氧化还原法和热解法)。跟物理法相比，采用化学法制备的纳米TiO2粒子形貌结构和性能更优，能够满足要求，广被采纳。

纳米TiO2的应用经过几十年的发展，目前纳米TiO2光催化技术已经在很多领域得到了研究应用，例如环境治理、卫生保健、建筑材料等领域。

（1）净化空气领域。纳米TiO2在紫外光催化作用下，能够把家具、室内装饰材料等释放出的有毒有害有机物彻底降解为二氧化碳、水和其他小分子，显著降低甚至消除有毒有害物质在空气环境中的浓度，且不会产生二次污染[7]。据报道，日本宇部工业公司开发了一种表面性能超强的TiO2纳米纤维，该纳米纤维能在光催化作用下降解很多种有害污染物，例如甲醛、破坏臭氧层的物质氯氟烃CFC等。此外，纳米TiO2光催化剂还能把大气中的硫化物、氮化物等污染气体氧化成酸，然后通过降雨的方式从大气中去除。

（2）净化水体和土壤领域。对于水体和土壤中的有机酸类、杂环烃类、酚类、芳香族类等有机污染物，纳米TiO2光催化剂也能够有效脱色、去毒、降解成小分子物质[8-10]。还能够将高价态的有毒重金属离子通过氧化还原机理降低为低价态，从而显著降低或消除有毒重金属离子对环境的污染和危害。科学家目前已发现通过纳米TiO2光催化剂，可以在紫外线照射下迅速降解3000多种难降解的有机物。除了对废水中的有机污染物进行光催化降解，纳米TiO2 光催化剂还可以降解无机化合物。这些优异的性能，使得纳米TiO2光催化剂在多种工农业废水（例如印染废水、造纸废水、制药废水、农药废水）的处理上都

取得了较好的催化降解效果[11,12]。

(3)抗菌保洁领域。纳米TiO2在光照下产生的空穴和形成于表面的活性氧，可与细菌细胞或细胞内的组成成分进行化学反应，使细菌头单元失活而导致细胞死亡，从而起到抗菌杀菌作用。科学研究表明：纳米TiO2不仅能将酵母菌、乳酸杆菌、大肠杆菌和葡萄球菌等病原微生物杀死，而且离子掺杂后的纳米TiO2甚至在可见光下还能杀死环境中霉菌、病毒、甚至抗化学杀菌剂的隐孢子虫和梨形鞭毛虫[13]。日本在纳米TiO2光催化抗菌材料的研发应用起步较早，例如日本东陶等公司开发的光催化纳米TiO2抗菌瓷砖和卫生洁具等早已大量投放市场。

(4) 新能源领域。将纳米TiO2用于能源催化材料是世界各国科学家研究的热点之一，例如通过光催化制备氢气，或许是

人类解决能源危机的一个好办法。但是，目前存在的问题是制氢速率仍不高，约为100 μmol·g－1·h－1，各国科学家们一直在努力提高纳米TiO2光催化分解水这一反应的光量子效率。最近，西班牙Marta Iglesias 教授课题组制备了多孔聚合物/TiO2异质

结用于光催化制氢，具有比单独的纳米TiO2 更强的光催化活性，更高的析氢速率，以及显著的热稳定性和光稳定性，制氢速

率值显著提高到21000 μmol.g-1.h-1以上[14]。这标志着纳米TiO2光催化制氢获得重大突破。