光催化技术可通过太阳能来分解水制氢气及清除环境中有机污染，因而被认为是解决能源和环境问题最好的方式之一，在众多的光催化剂中，TiO2纳米材料被看作是最有前景的光催化剂。然而，TiO2较宽的带隙将其光响应范围限制在紫外光区。黑色TiO2的发现则为解决这一问题带来了新的希望。本文中，密苏里大学-堪萨斯分校陈晓波副教授从合成、性质和应用角度，简要归纳总结了黑色TiO2纳米材料的研究近况。
一、黑色TiO2纳米材料的合成
1.氢化
这里的氢化是指在含有氢气或者氢等离子体环境下，在一定温度下处理一定时间。氢化是一种简单且直接的方法，通常被用来引入Ti3+或者其他还原位点，以及改变其他物理或化学性质。氢气与TiO2之间的相互作用已经被研究了很长时间。1951年。金红石相TiO2经氢气还原后，对长波具有吸收。1958年，研究发现淡蓝色和深蓝色TiO2的导电性明显增加，这是由于氧空位对电子的捕获以及氧空位缺陷位点的存在。而近来的研究发现经高压、长时间氢化处理后可得到黑色TiO2（图1）。
图1 白色TiO2和氢化法制备的黑色TiO2
2.化学还原
2.1铝还原
受到铝还原TiO2制备铝-钛合金技术的启发，Wang等人在抽真空的双区真空炉中，利用融化的铝制备了黑色纳米粒子TiO2。Zhu等人通过铝还原法在不同温度下制备了黑色板钛矿相TiO2。Cui等人利用阳极氧化法，结合铝还原法，首次制备了TiO2纳米管阵列（图2）。Lin等人首先用铝还原法在TiO2无定型态表面层引进氧空位，进而引入分金属元素，制备了一系列非金属掺杂的黑色TiO2。
图2 铝还原法制备的TiO2纳米管的光吸收谱及光学照片
2.2 镁还原
Yu等人利用镁还原TiO2法制备了一系列不同镁/TiO2摩尔比的黑色TiO2（图3）。实验结果发现，在还原过程中，随着镁的用量增加，光吸收范围逐渐拓宽，直至红外光区。
图3 镁还原法制备的TiO2光学照片。CT为商业纳米TiO2，CT-Ar为氩气氛围退火处理的TiO2，BT-X实验样品（X为镁/TiO2的摩尔比）
2.3 NaBH4还原
NaBH4还原法可以得到深灰色TiO2纳米粒子。Sun等人利用这种方法，通过调整反应温度和时间，制备出了一系列颜色从浅蓝色到黑色的TiO2。
2.4 NaH还原
Li课题组使用NaH溶液对TiO2进行处理后，TiO2纳米粒子由白色变为棕色，并展现出了良好的可见光活性。
图 4 NaH还原的TiO2与商用P25
3.化学氧化
Xin等人基于水热反应合成了黑色板钛矿TiO2。TiO2经水热反应后，分别经300、500、和700oC退火后变为棕色、黑色及蓝灰色。
图5化学氧化法制备的板钛矿TiO2的紫外可见漫反射光谱（TiO2-x为未经退火处理的样品，T300、T500、T700分别为经过300、500、700oC退火处理的样品） 4.电化学还原
Kim等人首先利用电化学氧化法制备出TiO2纳米管阵列，继而在空气氛围下退火并在磷酸盐缓冲溶液以恒定电流还原，从而得到蓝色TiO2纳米管阵列。电化学质子插层及氮气氛围退火后得到黑色TiO2纳米管阵列（图6）。
图 6 电化学还原法制备的蓝色和黑色TiO2纳米管阵列制备示流程意图
5.阳极氧化-退火
如图7，两次阳极氧化后的样品在环境氛围下450oC退火并移除阳极化的TiO2层，从而得到具有很强可见光吸收的黑色TiO2-x。
图 7 阳极氧化-退火法制备的TiO2（a）实验流程图及样品光学照片，（b）紫外-可见吸收光谱
6.超声
超声激发法制备非晶型态黑色TiO2。
图 8 不同超声时间处理得到的TiO2的紫外-可见吸收光谱及光学照片
7.激光改性
脉冲激光照射制备黑色TiO2纳米球。
图 9 （a）实验流程图，（b）不同照射时间得到TiO2的紫外-可见光吸收光谱及光学照片
二、黑色TiO2纳米材料的性质
研究表明经氢化、化学还原、脉冲激光照射等方法制备得到的黑色TiO2，会出现表层无序化、价带红移现象，与此同时往往伴随着Ti3+离子和氧空位、Ti-H和Ti-OH基团的生成（表1）。
表1 黑色TiO2纳米材料的制备方法及性质
三、黑色TiO2纳米材料的应用
1.光催化
黑色TiO2纳米材料在光制氢、光电制氢、有机物光降解方面具有了更高的光催化活性。例如，研究表明黑色TiO2对苯酚、活性黑5、罗丹明B、亚甲基蓝、人类生活废水等具有极高的光降解效率。电化学还原法制备的黑色TiO2纳米管阵列具有增强的光电化学水分解性能。
Tian等人研究表明氢化TiO2纳米带在可见光降解亚甲基橙、水裂解产氢方面具有良好的光催化活性。光催化性能的提高源于氢化处理产生的Ti3+离子和氧空位可显著增强对可见光吸收、电荷载流子捕获能力及电荷分离能力。
2.锂离子电池
黑色TiO2纳米晶由于Li+/e-均匀的分布而在储锂方面表现出良好的倍率性能。介孔氢化TiO2微球由于较短的锂离子扩散路径和高导电性，而具有两倍的倍率性能。氢化锐钛矿TiO2由于无序化的表面层和Ti3+而具有更快的锂储性能。氢化金红石由于单位体积增加、还原粒子的大小、晶体错位、氧空位，而具有储存和倍率性能。
3.超级电容器
在超级电容器方面，相比于白色TiO2纳米管阵列，氢化后TiO2纳米管阵列具有40倍的电容。氢等离子体处理后的TiO2纳米管阵列由于载体密度和羟基密度的增加而具有优异的储存性能。
4.能源电池
氢化TiO2纳米管阵列结合Sn/Pd/Pt三元催化剂用于能源电池的阴极展现出了优异的电催化活性和高耐用性，功率可达到1.21 kW/gPt。
5.场发射
Zhu等人证明由于导电性的增加以及功函数的降低，氢化TiO2纳米管阵列具有良好的场发射性能。通过优化形貌以及引进氧空位，则可以进一步增加场发射位点、降低功函数、增加导电性。
6.微波吸收
氢化处理后的TiO2纳晶对于微波具有良好的吸收能力。相比于纯TiO2，氢化TiO2纳米晶在1.0-8.0 GHz频率范围内具有更高的ε’和ε’’值。Li等人对于黑色TiO2纳米晶强烈的微波吸收性能的机理进行了研究，他们认为其原因在于晶体核和无定型态壳之间的协同作用机制，而不是由于无定型相中缺陷和杂质引起的。
7.癌症光热治疗
Ren等人证明聚乙二醇包覆的氢化黑色TiO2可以用于癌症对的诊断和治疗。
四、黑色TiO2纳米材料的应用前景
自2011年开始，黑色TiO2纳米材料引起了广泛的科学研究兴趣，并在多个领域展现出了光明的应用前景。一系列的合成方法逐渐被发掘，丰富的制备方法为材料的合成提供了灵活性，然而在大小、形貌、性质和性能调控方面依然很复杂。结构和化学改性可以被用来改变表面、电学、光学、电子性质。通过改变这些性质，可以达到增强锂电池、超级电容器、能源电池、场发射电极、微波吸收、癌症光热治疗效果的目的。
伴随诸多优点的同时，许多问题和挑战也随之而来。首先，由于实验设计和细节的差异，目前控制它们的性质还依然只是科学设想。其次，它们在可见光和近红外光区的光催化活性还不尽如人意。最后，解决黑色TiO2纳米材料的性质仍然是一个挑战。理论和实验都尚未提出指导性的结论。因此，在理论研究和实验研究方面依然需要更多的努力，用来促进这种新材料向各种各样的领域实践应用。
资料来源：材料牛
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