中國儲能網(wǎng)訊：二氧化鈦，作為重要的新能源和環(huán)境保護材料，在光催化、太陽能發(fā)電、太陽能集熱等方面被廣泛應用。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。這些問題嚴重影響了二氧化鈦在能源與環(huán)境領(lǐng)域的廣泛應用，無法充分利用太陽能。
最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所與北京大學化學學院開展了合作研究，黃富強、汪宙、楊重寅、林天全等科研人員原創(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)可導致對太陽光的吸收高達85%，遠優(yōu)于文獻報道（30%）。
良好的太陽能寬譜吸收、化學物理穩(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電池（PEC）電極，光能向氫化學能轉(zhuǎn)換效率達到1.67%，為二氧化鈦基PEC轉(zhuǎn)換效率的最優(yōu)值。
研究成果，Chemistry Views以“Titania: Black is the New White”為題做了新聞專題報道（見鏈接），被認為在新能源（太陽能發(fā)電、光催化制氫）和環(huán)境（污染物降解、抗菌消毒）領(lǐng)域的應用前景廣闊。國際公司與大學已經(jīng)購買小批量樣品，用于環(huán)境保護應用。部分研究結(jié)果發(fā)表在，J. Am. Chem. Soc. (2013), Adv. Funct. Mater. (2013), Energy Environ. Sci. (2013, 2014), Chem. Euro. J. (2013)等期刊，已申請發(fā)明專利3項。
1、氫等離子體還原二氧化鈦、吸收光譜、PEC（AFM 2013）
2、低溫鋁還原法制備納米黑鈦及其熱力學分析（EES 2013）
3、黑色硫摻雜金紅石相二氧化鈦制備示意圖、吸收光譜和光電轉(zhuǎn)換（JACS 2013）
4、兩步法實現(xiàn)黑色二氧化鈦的非金屬摻雜（EES 2014）
黑鈦文章和Wiley報道鏈接如下：
C. Yang, Z. Wang, T. Lin, H. Yin, X. Lv, D. Wan, T. Xu, C. Zheng, J. Lin, F. Huang*, X. Xie, M. Jiang. Core-shell nanostructured “black” rutile titania as excellent catalyst for hydrogen production enhanced by sulfur doping. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 17831.
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja4076748.
Z. Wang, C. Yang, T. Lin, H. Yin, P. Chen, D. Wan, F. Xu, F. Huang*, J. Lin, X. Xie, M. Jiang. Visible-light photocatalytic, solar thermal and photoelectrochemical properties of aluminium-reduced black titania. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3007.
http://pubs.rsc.org/EN/content/articlehtml/2013/ee/c3ee41817k.
T. Lin, C. Yang, Z. Wang, H. Yin, X. Lu, F. Huang*, J. Lin, X. Xie, M. Jiang. Effective nonmetal incorporation in black titania with enhanced solar energy utilization. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 967.
http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2013/ee/c3ee42708k.
Z. Wang, C. Yang, T. Lin, H. Yin, P. Chen, D. Wan, F. Xu, F. Huang*, J. Lin, X. Xie, M. Jiang. H-doped black titania with very high solar absorption and excellent photocatalysis enhanced by localized surface plasma resonance. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 5444.
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201300486/full.
H. Yin, T. Lin, C. Yang, Z. Wang, G. Zhu, T. Xu, X. Xie, Fuqiang Huang*, M. Jiang. Gray TiO2 nanowires synthesized by aluminium reduction and excellent photocatalysis for water cleaning. Chem.-Eur. J. 2013, 19, 13313.
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/chem.201302286/full.
G. Zhu, T. Lin, X. Lü, W. Zhao, C. Yang, Z. Wang, H. Yin, Z. Liu, F. Huang*, J. Lin. Black brookite titania with high solar absorption and excellent photocatalytic performance. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 9650.
http://pubs.rsc.org/EN/content/articlehtml/2013/ta/c3ta11782k.
H. Cui , W. Zhao , C. Yang , H. Yin , T. Lin , Y. Shan , Y. Xie , H. Gu, F. Huang*. Black TiO2 nanotube arrays for high-efficiency photoelectrochemical water-splitting. J. Mater. Chem. A 2014 10.1039/C4TA00176A. http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/ta/c4ta00176a
Titania: Black is the New White, Wiley, ChemistryViews, 2013.
http://www.chemistryviews.org/details/news/5025671/Titania_Black_is_the_New_White.html.
