在环境治理与能源转化领域，光催化技术一直被视为“绿色解决方案”的核心——它能利用光能降解有机污染物、还原CO₂，甚至分解水产生氢气。但长期以来，研究者们的目光多聚焦在材料的带隙、表面积等参数上，却忽略了一个关键的光学属性：折射率（η）。折射率（η）是影响光与物质相互作用的基本光学性质，本文旨在深入解读这一系统性综述，探讨折射率如何成为优化光催化剂性能的新维度，以及其环境修复和能源转化应用前景。

该综述以二氧化钛（TiO₂）、三氧化钨（WO₃）、氧化镍（NiO）及氧化锌（ZnO）等典型半导体材料为对象，通过实验与文献数据分析，明确了折射率调控光催化性能核心机制。系统梳理了通过工程化调控折射率以提升光催化性能的策略，并将其划分为化学组成调控与微观结构工程两大途径：其中化学组成调控途径包括通过Fe、W等金属或N、S等非金属掺杂改变材料电子结构、引入缺陷能级以窄化带隙扩展可见光吸收并调制折射率，以及构建g-C₃N₄/BiOBrₓI₁₋ₓ等复合材料形成固溶体或异质结，利用组分间折射率差异在界面产生折射率梯度以促进光散射、内部反射及电荷分离；微观结构工程途径则涵盖将材料制备成纳米颗粒、纳米线或纳米片，借助量子限域效应与增大的比表面积调控光学性质且纳米花状结构可产生多次散射以增强光捕获，制造具有周期性结构的多孔结构与光子晶体以产生光子带隙（PhotonicBandGap），使特定波长的“慢光子”被限制在结构中以显著增加光与物质的相互作用时间和路径长度，以及负载金、银等贵金属纳米颗粒，利用其局域表面等离子体共振（SPR）效应在催化剂表面产生极强局域电磁场以增强可见光吸收。

此外，通过实验数据与文献数据验证以典型光催化剂为例剖析了折射率工程的实际效果，其中TiO₂通过W掺杂等方式将折射率从2.49调控至2.255，既减少反射损失又将光响应范围拓展至可见光区以实现污染物高效降解，NiFe₂O₄因折射率高达7而具备卓越光子捕获能力，在可见光下对罗丹明B降解表现出高活性与稳定性，铋基氧化物（如Bi₂WO₆）、石墨相氮化碳（g-C₃N₄）及钙钛矿氧化物（如BiFeO₃）等新兴材料则凭借可调电子结构与光学性质成为折射率工程的良好平台，通过缺陷工程、异质结构建等手段在可见光催化领域展现巨大潜力；同时，折射率工程化的光催化剂在环境修复与能源转化领域前景广阔，环境修复方面可用于水净化中高效降解有机染料、抗生素等污染物，也可涂覆于建筑物表面或过滤器上降解NOₓ、VOCs等大气污染物（TiO₂基材料的自清洁与空气净化功能已实际应用），能源转化方面通过调控折射率既能增强二氧化碳光还原过程的光吸收，又可借助特殊界面（如等离激元结构）设计影响反应路径以提高CH₄等特定高价值燃料的选择性，而优化光催化剂的折射率与带隙也是提升光解水制氢中太阳能产氢效率的关键策略之一。

尽管折射率工程潜力显著，但当前研究仍面临三大挑战，即纳米结构材料折射率难以通过动态光散射（DLS）、纳米粒子追踪分析（NTA）等传统方法精准测量而需结合干涉散射显微镜（iSCAT）与机器学习的测量精度不足问题、折射率与带隙、表面积等参数存在高温退火提升折射率却扩大带隙这类“此消彼长”关系而需多目标优化的参数权衡难题，以及表面等离激元共振（SPR）依赖的贵金属成本高且薄膜沉积技术难以批量生产而需开发铁（Fe）替代金（Au）等低成本替代方案的规模化成本问题；针对上述挑战，研究提出三大未来方向，分别是利用随机森林模型（平均绝对误差MAE=0.10）等机器学习手段预测折射率以加速材料筛选的先进表征与人工智能（AI）结合方向、构建双层反蛋白石二氧化钛@钒酸铋（TiO₂@BiVO₄）复合结构等利用折射率差异实现“多光谱慢光子”捕获的混合材料设计方向，以及将折射率优化材料与3D打印反应器结合以提升光分布及传质效率的反应器协同优化方向。

文章信息  Environmental Surfaces and Interfaces

Influence and applications of refractive index on the catalytic perfomance of photo-responsive materials

Nelson Oshogwue Etafo, Aisha Okmi, Sreedeep Dey, Hanan Alzahrani, Abayomi Bamisaye

https://doi.org/10.1016/j.esi.2025.09.004 

期刊简介  Environmental Surfaces and Interfaces

Environmental Surfaces and Interfaces 报道环境表界面相关的研究，重点关注环境污染控制过程中的表界面行为，包括气液、液-液、气-固、液-固、固-固和生物界面。本刊欢迎环境表面和界面相关的基础理论研究、仪器和方法的开发，以及其它相关的实验室和现场实验研究。

ESI由科爱与北京师范大学珠海校区合作运营，期刊主编由北京师范大学珠海校区敖志敏教授和阿德莱德大学王少彬教授担任。

期刊刊载主题（包括但不限于）：

• Advanced hetero-catalysis environmental functional materials

• Nanobubble technology

• Electro-chemistry

• Bio interface in environmental-related processes

• Colloid and interface chemistry

• Surface adsorption and desorption

• The interface process in engineered membrane and biological film

• Theoretical calculation of surface/interface science

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