合肥工业大学张爱勇教授-中科大俞汉青院士团队：基于二氧化钛的新型电催化水处理及污染物监测

近日，合肥工业大学张爱勇教授和中国科学技术大学俞汉青院士团队在AMR在线发表述评文章“Emerging Electrochemical Catalysis on {001}-Facet and Defect-Engineered TiO₂ for Water Purification”。文章阐述了过渡金属氧化物、经典光催化材料二氧化钛（TiO₂）的新型电催化水处理及污染物监测功能的设计、开发与应用，系统揭示了新功能材料的单晶取向设计、高能晶面暴露、结构缺陷工程、分子印迹功能化等多种结构-性能有效调控方法及其在水污染控制和环境污染检测中的活性、机制和潜能。

关键词：二氧化钛，电催化水处理、污染物监测

01 文章内容简介

电化学水处理和污染物监测因其独特的技术优势而备受关注。开发安全、高效、经济可行的电催化剂成为关键核心。TiO₂是一种典型的过渡金属氧化物和被广泛认可的光催化剂，具有重要的工业用途。但是，它的实际应用受到光吸收受限和光载流子快速复合的限制。近十年来，TiO₂已成为电化学催化领域、尤其是能源与环境领域的一种颇有前途的候选材料。通过纳米级形貌控制、极性晶面暴露、客体金属掺杂和结构缺陷等先进技术能够实现其表面、原子和电子结构的取向设计和主导活性位点的精准构筑。本文综述了TiO₂系列材料在水处理除污和污染物检测方面的电化学应用最新进展。

在本文中，利用表面和缺陷工程的TiO₂作为水处理电催化剂，解决了诸如惰性电学性质、低结构导电性、贫表面富集性和弱本征活性等诸多关键性能挑战。首先，通过表面调控，实现高能{001}极性晶面的大幅取向暴露，促进污染物和水分子的同步化学解离，大大降低关键催化步骤反应能垒，并通过直接和间接途径促进阳极氧化反应，从而显著提高水处理效能。此外，{001}镜面高暴露的TiO₂电极同时具有光电化学双重功能，可以在低偏压条件下实现紫外光辅助的协同电催化过程，有效清除电极污染，提高污染物转化效率和持续稳定性。进一步探索了缺陷态TiO₂（TiO_2-x）的催化潜力，揭示了钛（Ti³⁺）和氧空位（Ov）在电催化降解过程中的关键作用，表面和亚表面缺陷以原子无序和结构畸变为典型结构特征，成为表面和亚表面主导催化活性位点，结合“Ti⁴⁺/Ti³⁺”反应活性中心的循环、稳定形成，显著提升典型环境污染物阴极电催化还原性能；为开发其阳极功能，并保护缺陷活性位点，提出了一种具有应用潜能的可见光辅助电化学催化策略，利用由缺陷子带介导的温和的非带隙激发途径，提供增强电催化除污稳定性和表观效率。最后，阐释了TiO₂在电化学水净化中的应用所面临的挑战，并概述了未来的研究方向。本研究加深了对结构-催化关系的基本理解，并举例介绍了多种结构调控策略，在不依赖贵金属或有毒金属助催化剂的情况下提升过渡金属氧化物的电化学环境催化效能，开发创新性合成方法，解析催化转化路径与反应机制，为设计新功能电催化剂提供理论基础，也为环境修复的变革性解决方案开辟了新途径。

02 AMR：您选择该领域的初心是？

作者团队：

水污染控制一直是人们所重点关注的热点，而开发高效的水处理与污染物监测技术成为当务之急。TiO₂等过渡金属氧化物具有廉价、绿色、稳定的优势，且在光催化等领域受到广泛认可，我们希望开拓该材料的电化学功能，从而在水污染控制应用方面取得突破。

03 AMR：请和大家分享下可能出现的研究机会！

作者团队：

除了单晶取向设计、高能晶面暴露、结构缺陷工程、分子印迹功能化等手段之外，TiO₂等典型过渡金属氧化物的精准结构调控、系统优化构建有效思路和方法其实还有很多，值得我们去深入思考、系统分析和大胆尝试，面向不同的水污染治理和污染检测的实际应用场景和工程技术目标。相信这些新兴、有效的调控方法能进一步提升材料综合效能，进一步结合优异传质、有效防污和能效突出的催化系统，最终实现水处理与环境监测技术的发展。

04 AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

通过与国内外学术和技术共同体共同努力、协同攻关，希望我们的研究工作能够精益求精、与时俱进，为解决实际环境污染问题贡献微薄之力。

作者团队简介

张爱勇，合肥工业大学土木与水利工程学院教授、博士生导师，安徽省杰青获得者，2011年于南开大学获得博士学位后曾在中国科学技术大学从事博士后研究工作，2014年加入合肥工业大学。以第一/通讯作者在Nat. Water、Nat. Commun.、PNAS、Angew. Chem. Int. Ed.、Acc. Mater. Res.、Energy Environ. Sci.、Environ. Sci. Technol.、Water Res.和Anal. Chem.等重要期刊发表学术论文48篇，5篇入选 “高被引论文”。先后主持国家级课题3项、省部级课题12项，研究方向：环境功能材料，高级氧化技术，污染控制与监测。

刘畅，安徽大学物质科学与信息技术研究院副教授、博士生导师，2013和2019年于中国科学技术大学分别获学士、博士学位，2019年加入安徽大学。近年来以第一/通讯作者身份在PNAS、Environ. Sci. Technol.、Water Res.等期刊发表论文12篇。出版学术专著1部，获发明专利授权2项。先后主持包括国家自然科学基金（2项）及科技部重点研发项目子课题在内的7项课题，获2021年中国科学院优秀博士论文奖。研究方向：环境功能材料的电化学水处理、水质监测应用。

俞汉青，中国科学技术大学杰出讲席教授，中国工程院院士。国家杰出青年基金获得者（2006）、教育部长江学者特聘教授（2007）、教育部创新团队负责人（2012）、科技部创新团队负责人（2016）、国家自然科学基金委创新群体负责人（2018）。2014年以来连续入围Elsevier环境领域国际高被引学者、科睿瑞安交叉领域高被引科学家。长期开展水污染控制的基础研究、技术研发和实际应用，以通讯作者发表SCI论文600多篇，SCI他引超过4万次；研究成果分别获得国家自然科学二等奖和国家科技进步奖各1项、2024年美国化学会ACS环境科学与技术杰出成就奖、省部级科技/自然科学一等奖6项等重要奖项。

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Emerging Electrochemical Catalysis on {001}-Facet and Defect-Engineered TiO₂ for Water Purification

Ai-Yong Zhang, Chang Liu, and Han-Qing Yu*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00377

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