二氧化钛作为光催化剂的研究
二氧化钛光催化材料研究现状与进展
二氧化钛光催化材料研究现状与进展二氧化钛光催化材料是一类应用广泛且备受关注的催化材料。
它具有优异的光催化性能，可有效利用可见光波段吸收光能，将水和空气中的有机污染物和有害物质转化为无害物质。
二氧化钛光催化材料在环境治理、清洁能源、光电器件等领域具有广阔的应用前景。
本文将介绍二氧化钛光催化材料的研究现状与进展。
二氧化钛是一种重要的半导体光催化材料。
它具有良好的化学稳定性、光稳定性和物理稳定性，且价格低廉、易于合成。
二氧化钛的光催化性能主要依赖于其晶型、表面形貌、晶粒尺寸、杂质掺杂等因素。
迄今为止，已有许多方法被提出来改善二氧化钛的光催化性能。
在二氧化钛的晶相中，主要有锐钛矿相（anatase）和金红石相（rutile）。
锐钛矿相的光催化性能优于金红石相，因此提高二氧化钛中锐钛矿相的含量，可以增强其光催化性能。
目前，常用的方法是通过控制合成条件、添加特殊添加剂或利用碳掺杂来增加锐钛矿相的含量。
除了晶型控制外，二氧化钛的表面形貌对其光催化性能也有重要影响。
研究表明，具有高比表面积和多孔结构的二氧化钛光催化材料具有更高的光催化活性。
为了增加二氧化钛的比表面积，一种常用的方法是通过溶剂热法或水热法合成纳米二氧化钛颗粒。
此外，还可以利用模板法、电化学沉积等方法来制备具有特定结构和形貌的二氧化钛纳米材料。
此外，晶粒尺寸也是影响二氧化钛光催化性能的重要因素。
通常情况下，具有较小晶粒尺寸的二氧化钛材料显示出更高的光催化活性。
制备细颗粒二氧化钛的方法包括溶胶-凝胶法、燃烧法、等离子体法等。
最后，元素掺杂是另一个重要的改善二氧化钛光催化性能的方法。
常用的掺杂元素有金属离子（如铁、铜、铬）、非金属离子（如硼、氮、碳）和稀土元素。
元素的掺杂可以改变二氧化钛的能带结构和光吸收性能，从而提高光催化活性。
总之，二氧化钛光催化材料的研究领域非常广泛，存在许多值得深入探索的问题和挑战。
虽然已经取得了一些进展，但仍然需要进一步研究和改进，以实现其在环境治理、清洁能源等领域的应用。
二氧化钛光催化剂的改性研究
总结与展望
• 二氧化钛光催化剂在环境和能源领域中有着广阔的应用前景，各国 科研人员对掺杂改性技术进行了广泛和深入的研究，但是其机理仍 未完全清楚，因此仍然是下一阶段的主要任务。
• 二氧化钛是一种稳定的化合物，掺杂后改变了晶体结构，其稳定性 也受到了很大影响，因此在掺杂过程中如何保持其稳定性也是焦点 之一。
钛
扩大其作用光的波长
的
电子-空穴复合
范围
改
性
背景与意义
加入氧
化剂 二氧化钛 改性
表面 修饰
光贵 金 非 半 表
敏金 属 金 导 面
化属 离 属 体 螯
沉 子掺 复 合
淀 掺杂 合 作
杂
用
光电 催化
光敏化
光活性化合物
贵金属表面沉积
贵重金属（银、铂等） “肖特基势垒”
半导体复合
背景与意义
光电催化是在半导体系统内通过光化学加压可 使电荷分离，减少空穴-电子对复合的方法。
二氧化钛光催化剂的改性研究
目录
二 氧 化 钛 光 催 化 剂
基本概念与原理 研究背景与意义 改性研究 总结及展望
基本概念与原理
半导体中的载流子：能够导电的自由粒子（电子、空穴）
基本概念与原理
电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电 子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应 于导带中占据的电子
结论： 最佳掺杂浓度为0.25﹪
Ni 2+掺杂浓度对催化活性的影响
结论： 最佳掺杂浓度为0.05﹪
Sr2+掺杂浓度对催化活性的影响
1.0 0.1 0.01 0.005
结论： 最佳掺杂浓度为0.1﹪
Seminar 1
小结
二氧化钛在光催化中的应用研究
二氧化钛在光催化中的应用研究随着环境污染的日益加剧，寻找解决环境问题的新方法和新技术是当今社会发展的趋势。
其中，利用光催化技术处理污染物已经成为一个备受关注的领域。
在这一领域中，二氧化钛是一种非常重要的光催化材料，其在废水处理、空气净化等领域中有着广泛的应用。
一、二氧化钛的物理化学性质二氧化钛是一种具有富勒烯结构的金黄色晶体。
它的晶格结构是正交晶系，空间群为Pbnm，晶胞参数是a=4.593Å、b=2.958Å、c=9.183Å。
二氧化钛的电子结构和化学反应性质与硅酸盐类似，它的化学性质相对稳定，在常温常压下不被酸和碱侵蚀，也不被水分解。
但是，在搭载光子的情况下，它的电子结构会发生变化。
二、二氧化钛光催化原理二氧化钛在吸收光子的作用下会形成电子空穴对，这些电子空穴对会与周围的氧分子反应，从而产生氧化剂（如·OH），这些氧化剂能够加速有机污染物的分解和去除。
此外，二氧化钛的光催化性能还与其具有高表面积、光催化活性较高等因素有关。
三、二氧化钛在废水处理中的应用在废水处理中，二氧化钛作为一种高效的光催化剂，能够提高处理效率和降低处理成本。
通过将二氧化钛与可分解的有机污染物接触，这些有机污染物会经过一系列的光催化反应而被分解为无毒的无机物质。
与传统的水处理方法相比，使用二氧化钛光催化处理废水更加环保、高效且成本低廉。
四、二氧化钛在空气净化中的应用随着城市化的发展，空气污染问题越来越受到关注。
二氧化钛在空气净化中也有着广泛的应用。
通过将二氧化钛搭载在高表面积的载体上，制成光催化剂，可以有效地去除空气中的有害气体和污染物。
例如，使用二氧化钛光催化剂可以将空气中的二氧化硫转化为无害的二氧化硫和水，同时能够分解有机物质和氮氧化物。
五、研究前景和挑战随着科技的发展，二氧化钛在光催化领域的应用前景非常广阔，尤其是在废水处理和空气净化领域。
然而，二氧化钛光催化剂的应用也面临着一些挑战，例如光催化剂的合成、光催化剂的稳定性和光催化剂的效率等等。
二氧化钛光催化抗菌材料的研究与应用
二氧化钛光催化抗菌材料的研究与应用摘要：本文主要介绍了二氧化钛（TiO2）光催化材料的基本结构、特点、抗菌机理、杀菌原理、以及提高其杀菌性能的方法。
尤其是作为抗菌剂在各个领域中的应用。
并对其在生活中的一些应用前景作了简要评述。
关键词：二氧化钛抗菌材料光催化应用随着社会的发展、科技的进步、文化水平的提高，人们的健康的意识也随之加强。
大多疾病是由细菌、霉菌等作为病原菌侵入人类和动植物发生的一系列反应而引起的，影响人们的健康，甚至危及生命，微生物还会引起各种工业材料、食品、化妆品、医药品等分解、变质、劣化、腐败，带来重大的经济损失，因此，具有杀菌和抗菌效应的商品越来越受到人们的关注。
一般来说，抑制细菌增强和发育的性能称为抗菌，杀死细菌或接近无菌状态的性能称为杀菌，具有抗菌或杀菌功能的材料通称为抗菌材料。
人工合成的抗菌材料可分为无机和有机两大类，由于有机类抗菌材料存在抗菌性较弱，耐热性、稳定性较差，自身分解产物和挥发物可能对人体有害，不适合用于高温加工等缺点，限制了其使用，并逐渐被无机类的抗菌材料所替代[1]。
传统的无机类抗菌剂由银、铜、锌等金属离子担载于沸石、磷酸错、易熔玻璃、硅胶、活性炭等载体组成。
近年来，以二氧化钛为代表的光催化材料得到了广泛的研究，由于Ti02光催化抗菌材料作用效果持久，并且二氧化钛本身价廉、无毒、化学稳定性好，利用太阳光、荧光灯中含有的紫外光作激发源就可具有抗菌效应，并且具有净化空气、污水处理、自清洁等光催化效应，其抗菌过程简单描述为：二氧化钛在大于禁带宽度能量的光激发下，产生的空穴或电子对与环境中氧气及水发生作用，产生的活性氧等自由基与细胞中的有机物分子发生化学反应，进而分解细胞并达到抗菌目的[3]。
此外，这些活性氧基团不仅能迅速、彻底杀灭细菌，还能降解内毒素等细胞裂解产物、其它有机物及化学污染物，使之完全矿化，具有其它抗菌材料不可比拟的优点[4-9][2]。
在抗菌方面展示了广泛的应用前景，已成为新一代的无机抗菌净化材料。
TiO2光催化剂及其性能研究
TiO2光催化剂及其性能研究随着人们对环境保护意识的逐渐增强，环境问题已经成为人们关注的重要议题之一。
其中，水污染问题尤其严重，如何有效地处理废水和污水已经成为一个重要的研究领域。
而TiO2光催化剂，作为一种重要的废水处理材料，已经受到越来越多的关注。
TiO2光催化剂，简单来说，就是一种以二氧化钛（TiO2）为主要组成部分的催化剂。
通过光照的方式，能够将废水中的有机物和无机物分解为水和二氧化碳等环境友好的物质。
相比于传统的化学废水处理方法，TiO2光催化剂不需要添加大量的化学物质，不会产生二次污染，并且在处理污水的同时还能够利用太阳光进行自我再生，降低了经济成本。
在TiO2光催化剂的研究中，主要有以下几个方面需要注意。
第一，TiO2的晶相类型。
TiO2晶相类型的不同对其光催化性能有着显著的影响。
在一般情况下，锐钛矿相（anatase）的TiO2比金红石相（rutile）的TiO2具有更好的光催化性能。
因此，在TiO2光催化剂的制备和研究中，需要选择锐钛矿相的TiO2作为主要的组成部分。
第二，TiO2的表面积。
TiO2的表面积越大，其光催化活性就越高。
因此，在TiO2光催化剂的制备中，需要采用纳米材料制备方法，以获得高表面积的TiO2纳米颗粒。
同时，为了进一步提高TiO2的表面积，一些研究人员还通过表面修饰等方式，对TiO2纳米颗粒进行了进一步改进。
第三，TiO2的光吸收范围。
由于TiO2只能吸收紫外线（UV）光线，因此其在太阳光照射下的催化活性受到了很大的限制。
为了解决这个问题，研究人员提出了一系列方案，如添加其他光吸收剂或利用掺杂的方法扩展TiO2的吸收范围。
这些方法在提高TiO2的光催化活性方面取得了显著的进展。
除了上述三个方面，还有一些其他的TiO2光催化剂相关研究也十分重要。
例如，TiO2光催化剂的载体、光照条件、反应器类型以及催化剂复合材料等问题都需要得到有效的解决。
同时，在实际应用中，TiO2光催化剂也需要考虑到一些具体的问题，如操作成本、催化剂寿命等方面的问题。
二氧化钛光催化水分解反应机理研究
二氧化钛光催化水分解反应机理研究近年来，氢能作为一种清洁、高效、可再生的能源备受关注。
而水分解反应是制备氢气的重要途径之一。
其中二氧化钛光催化水分解反应是一种前景广阔的绿色制氢技术。
本文将从机理角度对二氧化钛光催化水分解反应进行深入研究。
一、光催化水分解反应简介光催化水分解反应是指在光照下，将水分解成氢和氧的反应。
这种反应是一种重要的人造制氢技术。
光催化水分解反应需要光催化剂作为催化剂，其中二氧化钛是最常用的光催化剂之一。
二、二氧化钛的光催化机理二氧化钛是一种重要的半导体材料，其具有良好的光吸收性能、高的电子传导性能和较高的光生电子-空穴对分离效率，因此被广泛应用于光催化领域。
二氧化钛在光照下，其导带上处于价带上的电子会被激发到导带上，形成电子空穴对。
电子空穴对在二氧化钛表面发生分离，并在表面与水分子反应，产生氢和氧。
三、二氧化钛的光催化机理的实验研究为了深入了解二氧化钛光催化水分解反应的机理，实验研究很有必要。
近年来，有不少学者通过实验研究对二氧化钛的光催化机理进行了深入探讨。
一些实验表明，当二氧化钛的表面受到光照后，其导带上的电子通过催化剂与水分子结合生成氢。
而在氢生成的同时，导带上的正空穴与水分子相结合，产生氧气。
同时，也有研究表明，当光照强度增大时，二氧化钛的光催化水分解反应速率也会提高。
此外，一些学者也尝试利用表面增强拉曼光谱技术和时间分辨光谱技术等手段，深入研究二氧化钛光催化水分解反应的机理。
四、二氧化钛的光催化机理的理论计算除了实验研究，理论计算也是深入了解二氧化钛光催化水分解反应机理的重要手段。
在理论计算中，密度泛函理论是常用的计算方法之一。
利用密度泛函理论计算，可以得到二氧化钛表面的能带结构、电子结构和表面反应机理等信息。
一些理论计算表明，光照下，二氧化钛导带上的电子会受到激发，并在表面与水分子反应，生成氢气和氧气。
此外，一些研究还表明，对表面状态、晶面方向、缺陷等因素的调控，可以显著地提高二氧化钛催化水分解反应的效率。
二氧化钛作为光催化剂的研究
二氧化钛光催化剂的研究进展1972 年，A.Fujishima 等首次发现在光电池中受辐射的TiO2，表面能持续发生水的氧化还原反应，这一发现揭开了光催化材料研究和应用的序幕。
1976 年J.H.Carey 等报道了TiO2水浊液在近紫外光的照射下可使多氯联苯脱氯。
S.N.Frank 等也于1977 年用TiO2粉末光催化降解了含CN-的溶液。
由此，开始了TiO2光催化技术在环保领域的应用研究，继而引起了污水治理方面的技术革命。
近十几年来，随着社会的发展和人们对环境保护的觉醒，纳米级半导体光催化材料的研究引起了国内外物理、化学、材料和环境等领域科学家的广泛关注，成为最活跃的研究领域之一。
TiO2 是一种重要的无机材料，其具有较高的折光系数和稳定的物理化学性能。
以TiO2 做光催化剂的非均相光催化氧化有机物技术越来越受到人们的关注，被广泛地用来光解水、杀菌和制备太阳能敏化电池等。
特别是在环境保护方面，TiO2 作为光催化剂更是展现了广阔的应用前景。
但TiO2 的禁带宽度是3.2eV，需要能量大于3.2eV 的紫外光（波长小于380nm）才能使其激发产生光生电子-空穴对，因此对可见光的响应低，导致太阳能利用率低（只利用约3~5%的紫外光部分）。
同时光生电子和光生空穴的快速复合大大降低了TiO2 光催化的量子效率，直接影响到TiO2 光催化剂的催化活性。
因此，提高光催化剂的量子效率和光催化活性成为光催化研究的核心内容。
通过科学工作者对二氧化钛的物质结构、制备方法、催化性能、催化机理等方面的深入系统的研究，这种快速高效、性能稳定、无毒无害的新型光催化材料在废水处理、有害气体净化、卫生保健、建筑物材料、纺织品、涂料、军事、太阳能贮存与转换以及光化学合成等领域得到了广泛应用。
1 TiO2光催化作用机理“光催化”从字面意思看，似乎是指反应中光作为催化剂参加反应，然而事实并非如此。
光子本身是一种反应物质，在反应过程中被消耗掉了，真正扮演催化剂角色的却是TiO2。
二氧化钛做光催化剂的原理
二氧化钛做光催化剂的原理
二氧化钛（TiO2）是一种常用的光催化剂，它在可见光和紫外光照射下能够催化许多化学反应。
其主要原理是通过光生电荷对的形成和利用来促进化学反应。
当二氧化钛暴露在光照下时，其电子从价带（valence band）被光激发到导带（conduction band），形成带隙电荷对（electron-hole pair）。
导带中的电子和价带中的空穴（electron-hole）分别具有不同的氧化还原性质，可以参与氧化还原反应。
首先，光照下的二氧化钛表面吸附氧分子（O2）并将其催化分解为氧化物阴离子（O2-）。
此过程生成的自由电子可以从导带中转移到表面的吸附氧分子上，形成氧化物阴离子。
同时，生成的空穴也可在材料内部进行传导。
其次，已经吸附在二氧化钛表面或溶于液相中的有机物可以被光激发的电子和空穴进行氧化和还原反应。
光生的电子和空穴可与有机物发生直接的或间接的反应。
在间接反应中，电子和空穴分别与溶液中存在的氧和水分子发生反应，生成具有氧化或还原能力的活性氧种和氢氧离子。
这些活性氧种和氢氧离子可以氧化和降解有机污染物。
总的来说，二氧化钛作为光催化剂的原理是通过吸收光能产生电子和空穴对，并利用这些电子和空穴对参与化学反应。
这种光催化作用可以用于水处理、空气净
化、光电转换等领域，具有潜在的环境和能源应用价值。
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二氧化钛光催化剂的研究进展1972 年，A.Fujishima 等首次发现在光电池中受辐射的TiO2，表面能持续发生水的氧化还原反应，这一发现揭开了光催化材料研究和应用的序幕。
1976 年J.H.Carey 等报道了TiO2水浊液在近紫外光的照射下可使多氯联苯脱氯。
S.N.Frank 等也于1977 年用TiO2粉末光催化降解了含CN-的溶液。
由此，开始了TiO2光催化技术在环保领域的应用研究，继而引起了污水治理方面的技术革命。
近十几年来，随着社会的发展和人们对环境保护的觉醒，纳米级半导体光催化材料的研究引起了国内外物理、化学、材料和环境等领域科学家的广泛关注，成为最活跃的研究领域之一。
TiO2 是一种重要的无机材料，其具有较高的折光系数和稳定的物理化学性能。
以TiO2 做光催化剂的非均相光催化氧化有机物技术越来越受到人们的关注，被广泛地用来光解水、杀菌和制备太阳能敏化电池等。
特别是在环境保护方面，TiO2 作为光催化剂更是展现了广阔的应用前景。
但TiO2 的禁带宽度是3.2eV，需要能量大于3.2eV 的紫外光（波长小于380nm）才能使其激发产生光生电子-空穴对，因此对可见光的响应低，导致太阳能利用率低（只利用约3~5%的紫外光部分）。
同时光生电子和光生空穴的快速复合大大降低了TiO2 光催化的量子效率，直接影响到TiO2 光催化剂的催化活性。
因此，提高光催化剂的量子效率和光催化活性成为光催化研究的核心内容。
通过科学工作者对二氧化钛的物质结构、制备方法、催化性能、催化机理等方面的深入系统的研究，这种快速高效、性能稳定、无毒无害的新型光催化材料在废水处理、有害气体净化、卫生保健、建筑物材料、纺织品、涂料、军事、太阳能贮存与转换以及光化学合成等领域得到了广泛应用。
1 TiO2光催化作用机理“光催化”从字面意思看，似乎是指反应中光作为催化剂参加反应，然而事实并非如此。
光子本身是一种反应物质，在反应过程中被消耗掉了，真正扮演催化剂角色的却是TiO2。
因此，“光催化”反应的内涵是指在有光参与的条件下，发生在光催化剂及其表面吸附物（如H2O分子和被分解物等）之间的一种光化学反应和氧化还原过程。
其具体的作用机理如下。
从结构上看，TiO2之所以在光照条件下能够进行氧化还原反应，是由于其电子结构为一个满的价带和一个空的导带。
当光子能量（hν）达到或超过其带隙能时，电子就可从价带激发到导带，同时在价带产生相应的空穴，即生成电子（e-）、空穴（h+）对。
通常情况下，激活态的导带电子和价带空穴会重新复合为中性体（N），产生能量，以光能（hν′）或热能的形式散失掉。
TiO2+hν→e-+h+ （1）e-+h+→N+energy（hν′<hνor heat）（2）而当存在合适的俘获剂或表面缺陷态时，电子和空穴的复合受到抑制，就会在表面发生氧化还原反应。
其中，价带空穴是良好的氧化剂，而导带电子是良好的还原剂。
其作用过程如图1 所示。
在光催化半导体中，空穴具有更大的反应活性，携带光量子能的主要部分，一般会与表面吸附的H2O 或OH-反应形成具有强氧化性的表面羟基，反应式如下：OH-+h+→·OH （3）H2O+h+→·OH+H+ （4）而对电子来说，一般会与表面吸附的氧分子反应，产生的活性氧分子不仅参与还原反应，还是表面羟基的另一个来源。
具体反应式为：O2+e-→·O2- （5）·O2-+H2O→·OOH+OH- （6）2·OOH→H2O2+O2 （7）·OOH+H2O+e-→H2O2+OH- （8）H2O2+e-→·OH+OH- （9）此外，A.Sclafani 等［7］通过对TiO2光导电率的测定证实了·O-的存在。
由此可能存在的一个反应为：·O-+H2O→·OH+OH- （10）活性羟基具有402.8 MJ/mol 的反应能，高于有机物中各类化学键能，如C—C（607 kJ/mol）、C—H（338 . 32 kJ / mol ）、C—N （754 . 3 kJ / mol ）、C—O（1 076.5 kJ/mol ）、H—O （427.6 kJ/mol ）、N—H（339 kJ/mol），因而能完全分解各类有机物，最终生成CO2和H2O 等无毒产物。
图2 纳米TiO2晶体的形态结构及特性2.1 TiO2晶体的基本物性TiO2具有3 种不同的晶体结构，即锐钛矿型、金红石型和板钛矿型。
其中，以锐钛矿型和金红石型主要用作光催化材料，两者相对比，价带位置相同，因此其光生空穴具有相同的氧化能力。
但是，锐钛矿的禁带宽度为3.2 eV，大于金红石型，即是说锐钛矿型的导带电位更负，从而光生电子具有更强的还原能力。
此外，由于金红石型的禁带宽度较小，激发产生的电子-空穴对易于复合，从而降低了粒子的催化活性，因此锐钛矿型具有较高的催化活性。
2.2 混晶效应将锐钛矿型与金红石型混晶（一般采用气相反应合成）后，会发现所得到的TiO2混合物具有更高的光催化活性，这一现象即所谓的“混晶效应”。
根据高温气相反应器中TiO2粒子成核-生长和晶型转化机理可知，一定条件下形成的混合晶型TiO2粒子，其内部为锐钛矿相，表面为金红石相，两种相态紧密毗连。
光照射在TiO2粒子上时，表面层金红石型TiO2被激发，由于两种晶型TiO2导带和价带能级的差异，光生电子从金红石型向锐钛矿相扩散，而空穴则由锐钛矿相向金红石相扩散，从而减少了电子与空穴的复合几率，光生载流子实现了有效分离，粒子光催化活性提高。
混晶后TiO2中电荷迁移过程如图2 所示。
2.3 纳米TiO2光催化材料的尺寸效应对于TiO2粉体，随着颗粒尺寸的减小，其光催化活性会有一定程度的提高，表现出特定的尺寸效应。
综合起来，TiO2光催化材料可能产生的尺寸效应主要有以下几种。
1）量子效应：TiO2是n 型半导体，当其粒径小于50 nm 时，就会产生与单晶半导体不同的性质，这就是所谓的“尺寸量子效应”。
即是说，当其粒径小于某一纳米尺寸时，半导体的载流子被限制在一个小尺寸的势阱中，从而使得导带和价带能级由连续变为分离，进而使得两者之间的能隙变宽。
此时，导带的电位变得更负，价带的电位则更正，从而使得光生电子和空穴的能量增加，增强了半导体光催化剂的氧化还原能力，提高了其光催化活性。
2）表面积效应：随着粒子尺寸减小到纳米级，光催化剂的比表面积将大大增加，表面原子数量迅速增加，从而使得光吸收效率提高，表面光生载流子浓度随之增大，进而提高了表面氧化还原反应的效率。
其次，随着粒径的减小，比表面积增大，而表面的键态和电子态与内部不同，表面原子的配位不全导致表面活性位置增多，因而与大粒径的粉体相比，其表面活性更高，从而使得对底物的吸附能力增强，增大了反应几率。
此外，在光催化反应过程中，催化剂的表面羟基数目直接影响着催化效果。
TiO2粉体浸入水溶液中，表面要经历一个羟基化的过程，一般表面羟基的数目为5~10 个/nm2。
因此，随着尺寸减小，比表面积增大，表面羟基数目也随之增加，从而提高了反应效率。
3）载流子扩散效应：晶粒尺寸大小对光生载流子的复合率也有很大影响。
对纳米级半导体粒子而言，其粒径通常小于空间电荷层的厚度，空间电荷层的任何影响都可忽略。
计算表明，粒径为1 μm 的TiO2粒子中，电子从体内扩散到表面需10-7 s，而10nm的TiO2仅需10-11 s，所以粒子越小，光生电子从晶体内扩散到表面的时间越短，电子与空穴在粒子内的复合几率就越小，使得光催化效率提高。
3 纳米TiO2光催化材料的改性目前，TiO2光催化剂主要存在如下不足：光吸收波长范围狭窄，吸收波长阈值大都在紫外区，利用太阳光比例低；载流子复合率高，量子效率低。
基于此，纳米TiO2光催化材料的改性分为两个方向。
1）拓宽纳米TiO2光催化剂对光吸收的波长范围。
设法减小其禁带宽度，使激活波段移向可见光区，则可有效利用太阳能，提高TiO2光催化反应的效率。
目前所报道的可见光响应光催化剂有：金属离子掺杂半导体光催化剂、复合半导体光催化剂、非金属掺杂光催化剂、光敏化催化剂等。
金属离子掺杂使光催化剂具有可见光活性，可以由晶格缺陷理论来解释。
如选择适当的元素掺杂在半导体中，可以在半导体带结构的价带与导带之间形成一个缺陷能量状态，缺陷能量状态可能靠近价带，也可能靠近导带。
缺陷能量状态为光生电子提供了一个跳板，可以利用能量较低的可见光激发电子，由价带分两步传输到导带，从而激发半导体的光吸收边向可见光移动。
另外，缺陷能量状态也可以由半导体晶格缺陷或痕量杂质而形成。
然而，尽管这类物质可以吸收可见光，但是由于受光腐蚀和电荷重新复合的影响，只有极少数能保持可见光催化活性。
而纳米TiO2与其他半导体复合，则可形成偶合半导体。
通过半导体的复合，提高半导体的电荷分离效率，抑制电子-空穴的复合，从而扩展纳米TiO2光致激发的波长范围，提高降解效率。
纳米TiO2表面光敏化是将光活性物质通过物理或化学吸附于TiO2表面，从而扩大其激发波长范围，增加光催化反应的效率。
只要活性物质激发态的电势比半导体导带电势更负，就可能将光生电子输送到半导体材料的导带，从而使纳米TiO2半导体的激发波长范围扩大，提高可见光的利用率。
2）促进光生电子和空穴的有效分离，抑制电子与空穴的复合。
这一方向可通过纳米TiO2表面沉积贵金属或加入过渡金属离子来实现。
常用的贵金属有Pt、Pd、Au、Ru、Ag 等。
当贵金属沉积在纳米TiO2表面，紫外光照射下TiO2粒子产生的电子能很快转移给负载在TiO2表面的贵金属粒子上，可以分离光生载流子，从而抑制电子与空穴的复合，有效提高电荷和空穴的分离。
这可用Schottky 势垒加以解释。
过渡金属离子如Fe、Cu 也能抑制电子与空穴复合，提高光催化效率。
从化学观点看，金属离子掺杂可能在半导体晶格中引入缺陷位置或改变结晶度，从而影响了电子-空穴的复合。
如掺杂离子成为俘获电子或者空穴的陷阱，则能延长载流子寿命，从而能有效提高光催化效率；如成为电子-空穴对的复合中心，则对光催化不利。
掺杂后TiO2的催化活性的变化与这些过渡元素的稳定氧化态的电子亲合势与离子半径的比值以及掺杂原子的磁矩具有较好的相关性。
而催化剂的（101）晶面的X 射线衍射强度、微晶尺寸和晶格畸变应力对催化活性也具有一定的影响。
4 影响TiO2 光催化活性的因素4.1 晶体结构的影响（1）晶型的影响：用作光催化剂的TiO2 主要有锐钛型和金红石型，其中锐钛型的催化活性较高，两者的差异在于八面体的畸变程度和相互连接的方式不同。
（2）晶格缺陷的影响：当有微量杂质元素掺入晶体中时，可以形成杂质置换缺陷，置换缺陷的存在对催化剂活性起有重要作用。