近年来，化石燃料的消耗和带来的环境污染是两个相当严峻的挑战。寻找安全，可持续，清洁和可再生能源的迫在眉睫，并且已经引入了各种化石燃料替代物。幸运的是，作为一种清洁且取之不尽的自然资源，太阳能一直被认为是一种有前景的可持续能源，可以缓解能源困境。自Honda 和Fujishima于1972年发现TiO₂ 光解水效应，众多的研究便投入到开发更高效的半导体光催化剂。而TiO₂由于催化活性高，无毒无害，耐腐蚀，环境友好及成本低，目前已经应用在降解有机污染物，治理汽车尾气，制备染料敏化太阳能电池，催化制氢，合成抗菌塑料等领域。它具有将无穷无尽的自然阳光转化为可再生能源并具有高效分解污染物的卓越能力。

然而，尽管具有上述优点，但宽带隙（≈3.2eV）和TiO₂的弱电荷传输始终是光催化，能量收集和储存领域中的典型局限性。TiO₂的能带结构由充满电子的价带和空的导带构成，由约3.2eV 的禁带隔开。当接收辐射能量高于3.2eV 时，价带电子跃迁至导带，在价带随之产生空穴。空穴与电子在电场的作用下迁移至表面，分别发生氧化还原和还原反应。因此，若空穴与电子快速复合，便会显著降低量子效率，影响光催化活性。同时，TiO₂的宽禁带也限制了TiO₂的应用，需要在紫外光下激发。为了克服这两个障碍，已经实施了许多合成和改性途径以促进TiO₂的光催化性能，例如，材料的表面性质，内部晶体结构，掺杂或构筑异质结构。

通过结合静电纺丝技术，Park与他的同事制备了排列整齐的TiO₂ 纳米纤维，具有更高的比表面积，性能优于TiO₂纳米颗粒。通过喷雾干燥法，Iskandar等人合成了具有大孔结构的板钛矿TiO₂ ，由于显著增加的比表面积，这种结构也使得TiO₂的降解有机污染物罗丹明B的能力显著优于堆积的板钛矿颗粒，有希望应用于工业生产中。BenxiaLi 等人通过溶胶-凝胶法合成了具有三维海胆状的TiO₂,并对形成这种分级结构的原因进行了深入的探究。然而，这些方法制备的TiO₂要么性能难以满足工业生产要求，要么方法过于复杂，难以用于生产实践。因此，寻找一种合适的方法制备高效的TiO₂依然是当下的重要难题之一。

在漫长的自然演化进程中，分形结构也广泛存在，并且并赋予了生物体独特的功能特性，而这种特性在传统材料里面是无法实现的。如蝴蝶的翅膀便是分级结构，为其带来了独特的光学性能。再如雪花的六边形结构，使得雪花更加稳定。这些结构的广泛存在，使得我们思考如何能够将其带入到光催化剂中, 以提高其光催化性能和稳定性。本论文旨在研究将自然界中的分形分级结构引入到TiO₂光催化剂中，进一步增强其光催化性能，以期解决日益严重的能源与环境问题。

2. 研究的基本内容与方案

随着日益增长的环境问题和能源危机的迫近，开发出高效，节能，低成本的光催化也日益迫切。TiO₂ 经过数十年的研究，成为最有可能解决当下问题的光催化剂之一，而设计分级结构是提高TiO₂光催化性能的理想途径之一。其中，分形结构能够为光催化剂提供更大的比表面积，更高的稳定性而相较于传统的分级结构优势更加明显。本实验采用仿生的方法，研究合成雪花状分形纳米TiO₂的合成条件，生长机理，以及应用范围。

目前合成TiO₂的途径很多，主要有溶胶-凝胶法，微乳液合成法，水解法，水热法，溶剂热法，电化学法以及生物模板法。其中，水热法由于其对合成条件可控，晶体热应力小，晶粒均匀等优势使用的相当广泛。本实验采用水热法合成具有分形结构的TiO₂光催化剂。

首先，通过水热法合成雪花状TiO₂,通过XRD对晶相进行表征，通过SEM, TEM对形貌进行表征，通过光降解，光解水产氢等对合成样品进行性能测试。综合上述手段，对雪花状TiO₂的生长机理进行研究，揭露其形成细节。通过将雪花状TiO₂与商业可获取的微米TiO₂,TiO₂纳米管等性能进行对比，展示分形结构的优势。

1. Afshar, S.; Pordel, S.; Tahmouresilerd, B.; Azad, A.,Improving the Photocatalytic Activity of Modified Anatase TiO₂ withDifferent Concentrations of Aluminum under Visible Light: Mechanistic Survey. Photochemistry and photobiology 2016, 92 (6), 783-789.

2. Cai, J.; Huang, J.; Ge, M.; Lai, Y., Multidimensional TiO₂ nanostructured catalysts for sustainable H₂ generation. In Multifunctional Photocatalytic Materials forEnergy, Elsevier: 2018; pp 237-288.

3. Cai, J.; Shen, J.; Zhang, X.; Ng, Y. H.; Huang, J.; Guo, W.;Lin, C.; Lai, Y., Light‐Driven Sustainable Hydrogen Production Utilizing TiO₂ Nanostructures: A Review. Small Methods 2019, 3 (1), 1800184.