当前位置：二氧化钛，作为重要的新能源和环境保护材料，在光催化、太阳能发电、太阳能集热等方面被广泛应用。然而，二氧化钛的太阳能利用面临巨大的挑战，主要原因在于光吸收范围窄、电子-空穴对的分离效率低。二氧化钛只能吸收太阳光谱中~5%的紫外光，而无法利用可见光和近红外光的能量；本征电导率只有~10-10 S/cm，不利于光生电子-空穴对的分离和传输。这些问题严重影响了二氧化钛在能源与环境领域的广泛应用，无法充分利用太阳能。
最近，中国科学院上海硅酸盐研究所与北京大学化学学院开展了合作研究，黄富强、汪宙、杨重寅、林天全等科研人员原创地发展出多种新型制备方法（氢等离子法、铝还原法、二步非金属掺杂法），大幅提高了太阳光谱中可见光和近红外光的吸收，效果明显。这些最新发现的黑色二氧化钛纳米晶，不同于高温氢气还原的黑色氧化钛，为一种核壳结构，核区仍为结晶的二氧化钛，外壳为无定型的结构，其中无序的外壳是使白色二氧化钛变成黑色的功能区域，无序的外壳包含氧空位或非金属X掺杂（X=H、N、S、I）。该结构可导致对太阳光的吸收高达85%，远优于文献报道（30%）。
良好的太阳能宽谱吸收、化学物理稳定性，以及改善的载流子浓度和电子迁移性能，可以满足高效太阳能的要求。其中，氮掺杂的纳米黑色二氧化钛，太阳光催化分解水，产氢率达到15 mmol h-1 g-1，处于报道最优异的可见光催化剂之列；对有机污染物的降解速率是商用纳米二氧化钛（P25）的四倍。黑色二氧化钛纳米管阵列用作光化学电池（PEC）电极，光能向氢化学能转换效率达到1.67%，为二氧化钛基PEC转换效率的最优值。
研究成果，Chemistry Views以“Titania: Black is the New White”为题做了新闻专题报道（见链接），被认为在新能源（太阳能发电、光催化制氢）和环境（污染物降解、抗菌消毒）领域的应用前景广阔。国际公司与大学已经购买小批量样品，用于环境保护应用。部分研究结果发表在，J. Am. Chem. Soc. (2013), Adv. Funct. Mater. (2013), Energy Environ. Sci. (2013, 2014), Chem. Euro. J. (2013)等期刊，已申请发明专利3项。
1、氢等离子体还原二氧化钛、吸收光谱、PEC（AFM 2013）
2、低温铝还原法制备纳米黑钛及其热力学分析（EES 2013）
3、黑色硫掺杂金红石相二氧化钛制备示意图、吸收光谱和光电转换（JACS 2013）
4、两步法实现黑色二氧化钛的非金属掺杂（EES 2014）
黑钛文章和Wiley报道链接如下：
- 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.
