近日，吉林大学物理学院2021级强基班本科生王冠程、祖书奇在指导教师李子亨教授的指导下在二氧化钛(TiO₂)光催化性能研究方面取得重要进展，相关成果以 “Study of the process of black TiO₂ turning white and its molecular adsorption and photocatalytic behavior” 为题，于《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》（[具体卷期]，DOI: 10.1016/j.colsurfa.2025.136356 ）发表。

TiO₂作为一种 N 型半导体金属氧化物，因具有环境友好、响应迅速、成本低廉和化学性质稳定等优点，在太阳能电池、气体传感器、光催化、离子电池等众多领域广泛应用。然而，TiO₂较宽的带隙（3.2 eV）使其仅能吸收部分紫外线，对太阳光谱的利用率较低。尽管此前人们通过金属或非金属掺杂等方式调整其带隙宽度、拓宽光吸收范围，但在提升光催化效率方面仍面临挑战。此外，TiO₂气体吸附研究的匮乏，限制了对其吸附性能的深入理解。

针对上述问题，研究团队制备出具有锐钛矿结构的黑 TiO₂，并运用密度泛函理论（DFT）和电化学阻抗谱（EIS）技术，深入探究黑 TiO₂转变为白 TiO₂过程中的表面氧分子吸附和光催化行为。研究发现，黑色TiO₂表面的缺陷状态有利于 O₂的负载，理论模拟显示黑色TiO₂表面可化学吸附两个 O₂分子，转变为白色TiO₂后则物理吸附一个O₂分子，这一结果得到实验数据的支持。同时，理论计算表明，室温下黑 TiO₂亲水性较差，导致水中的罗丹明 B（RhB）难以靠近晶体表面与吸附氧发生氧化还原反应，使其光催化降解性能逊于白色TiO₂。不过，研究团队利用黑色TiO₂高氧吸附和白色TiO₂高降解的优势，通过二者协同效应显著提升了光催化效率，RhB光催化降解实验也验证了这一成果。

该研究成果不仅为构建更高效的光催化降解界面和优化气体传感器性能提供了重要依据，还揭示了材料光催化性能不仅受尺寸、结晶度、带隙等因素影响，还与亲水性和载氧能力密切相关，为开发更高效的光催化剂提供了新的研究思路。

文章第一作者为本科生王冠程，通讯作者为李子亨。该研究得到了吉林大学物理学院基础研究业务基金、本科生大创项目和吉林大学仪器设备共享平台的支持。

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https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2025.136356