内蒙古大学赵东元院士团队兰坤最新AEM/ ACS Cent. Sci.：介孔TiO2基材料制备用于高效光催化、储钠应用

第一作者：杨岚浩

通讯作者：兰坤*，赵东元*

通讯单位：内蒙古大学

近年来，开发清洁可持续的能源技术成为研究重点，其中太阳能光催化因其零排放、资源丰富等优势展现出巨大潜力。作为典型光催化材料，TiO₂因其储量丰富、无毒稳定等特点被广泛研究，但其宽禁带（3.2 eV）导致仅能利用紫外光，且存在载流子复合率高、析氢效率低等瓶颈。其中，介孔TiO₂因其有序孔道结构能够显著提升比表面积和传质效率，在光催化领域取得突破性进展。因此，本文对介孔TiO₂进行了系统总结，并展望了未来发展方向，为推进光催化技术发展提供理论基础。

近日，内蒙古大学赵东元院士/兰坤研究员，在期刊Adv. Energy Mater.上发表题为“Synthesis of Mesoporous Titania Nanomaterials for Evolving Photocatalytic Applications”的文章，该文系统梳理了介孔TiO₂光催化剂的发展历程与范式演变。首先阐述了光催化机理和多种合成策略，继而批判性地评估了光催化析氢、二氧化碳还原、污染物降解和固氮等前沿应用。最后深入探讨了介孔TiO₂基材料在光催化领域的局限性和挑战，展望了未来的发展轨迹。

二氧化钛作为一种经典半导体光催化剂，成本低廉、生物相容性和结构稳定性高。文章首先阐明了介孔TiO₂材料基本的光催化机制(图1)。通过增加光吸收和抑制光电子-空穴络合可以实现光催化反应的优化，同时避免催化剂失活。

文章总结了介孔TiO₂基材料的主要合成方法，包括软、硬模板法及无模板法。其中，对经典软模板法的可控合成进行了总结，展示了不同形貌的介孔TiO₂基材料(图2)。同时讨论了不同合成方法的优点和局限性(图3)，为后续研究提供了重要参考。

在光催化应用方面，文章重点评述了介孔TiO₂在光催化析氢、二氧化碳还原、污染物降解及固氮等关键能源领域的前沿应用，并对常见光催化析氢反应进行了总结(图4)。

文章系统总结了介孔TiO₂基材料的制备方法，分析了不同合成策略的优势与局限。重点探讨了在光催化应用中的性能与作用机制。通过揭示介孔结构对光催化性能的调控规律，为设计高效TiO₂基光催化剂提供了参考。介孔TiO₂材料的合成方法虽已相对成熟，但仍面临关键挑战。在合成方面，介孔结构的可控制备、晶体取向调控及规模化生产仍是技术瓶颈。在性能方面，仍需通过掺杂、缺陷工程和异质结构建等手段解决宽带隙导致的可见光利用率低和载流子复合率高的问题。未来研究应着力于深入探究介孔结构与光催化活性的定量构效关系。通过整合先进表征技术和理论计算，建立明确的构效模型，同时加强其在能源转化中的实际应用研究。

第一作者：李爽

通讯作者：兰坤*、郭自洋*

钠离子电池凭借其资源丰富、成本低廉优势，成为极具前景的储能技术。然而，钠离子较大的半径（1.02 Å）和较高的电极电位（-2.71 V）导致其扩散动力学缓慢，循环受限。因此，开发具有高效离子传输通道和稳定结构的负极材料至关重要。TiO₂因其稳定的晶体结构和较小的体积膨胀被视为理想材料，但低比表面积和本征导电性差制约了其性能。通过构建介孔结构可在保持高振实密度的同时提升比表面积和赝电容贡献，此外采用导电涂层可有效改善导电性。这些协同优化策略为开发高性能TiO₂基负极材料提供了新思路。

近日，内蒙古大学赵东元院士团队兰坤与郭自洋研究员，在期刊ACS Cent. Sci.上发表题为“Precisely Integrated Mesoporous Anode Enabling Fast Pseudocapacitive Sodium-Ion Storage”的文章，该文提出溶剂蒸发诱导自组装和化学氧化聚合相结合策略来构建超薄聚吡咯（PPy）包覆介孔TiO₂微球（meso-TiO₂@PPy）核-壳结构。介孔结构和导电涂层的结合赋予了微米尺寸的TiO₂球体高比表面积、优异的导电性和丰富的钠离子扩散途径，从而实现了电荷存储的高赝电容（94%）贡献。在1 A g⁻¹下具有160.6 mAh g⁻¹的高可逆容量、良好的倍率和循环性能（2000次循环后容量保持在80.8%）。本研究为高性能复合负极的设计提供了一条途径。

与介孔TiO₂相比，介孔TiO₂@PPy-7复合材料的阻抗更小，证实了聚吡咯包覆能够有效改善Na+传输路径。在1 A g^-1电流密度下，TiO₂@PPy-7电极展现出优异的电化学性能，比容量均高于其它电极，并在循环2000次后容量保持率高达80.8%，充分证明超薄PPy包覆显著提高了TiO₂的倍率和循环稳定性。另外，与其它材料相比，致密介孔TiO₂复合结构具有更高的振实密度和体积容量，进一步凸显了复合材料的结构优势。

本文设计合成了具有均匀球形形貌和径向介孔通道的TiO₂@PPy复合材料，以改进TiO₂的低电子导电性和扩散动力学。介孔TiO₂与PPy层结合的独特结构不仅促进了电荷扩散，而且为Na+储存提供了丰富的活性位点。作为SIBs的阳极材料表面具有7 nm超薄PPy涂层的meso-TiO₂微球表现出优异的倍率和高比容量。在1.0 A g⁻¹的电流密度下，循环2000次仍保持160.6 mAh g⁻¹的可逆容量，同时还提供了高振实密度（1.21 g cm⁻³），体积容量（191.8 mAh cm⁻³）和94%的赝电容贡献。本工作旨在为设计具有快速赝电容钠储存和高体积密度的集成介孔材料提供了思路。

兰坤，2013年获兰州大学学士学位，2020年获复旦大学博士学位，师从赵东元院士，并继续从事博士后研究，2022年加入内蒙古大学能源材料化学研究院赵东元院士团队，任骏马计划特聘研究员A3岗。主要从事晶态介孔材料的可控合成、组装机制与能源应用研究，发表SCI论文50余篇，引用3000余次，包括第一/通讯作者论文Chem. Soc. Rev., Nat. Protoc., J. Am. Chem. Soc. (5), Angew. Chem. Int. Ed. (2), Adv. Mater., Chem, Matter (2), Adv. Funct. Mater., ACS Nano, JACS Au (2), Nano Lett. (3)。主持国家自然科学基金青年、面上项目，骨干参与国家重点研发计划，获内蒙古自治区草原英才、杰出青年、青年科技英才，任National Science Open, Renewables, Carbon Neutralizations青年编委。

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