清洁水的巨大需求与短缺已成为全球最重要的问题之一。据统计，约有40亿人无法或很少获得清洁水，而工业和农业活动所产生的废水进一步加剧了这一问题。

这些废水中的污染物中包含内分泌干扰化学物质，在水体中可能水解、氧化或产生有毒的副产物。

传统的物理处理方法，如吸附、化学试剂凝固、超滤和反渗透等，虽然能够将污染物从液相转移到固相，但并未能真正破坏这些有机污染物，反而产生了有毒的二次污染物。

对于破坏有机污染物的机理，纳米结构在其中起着重要作用，特别是在利用二氧化钛时。二氧化钛能够吸收紫外线区域的电磁光谱，并产生电子-空穴对。

这些电子-空穴对和氢离子与周围的水分子和溶解氧发生反应，最终形成羟基自由基。这些自由基是高活性且具有侵略性的物质，在反应中攻击污染物，并形成不同的含氧中间体，最终将其矿化为一氧化碳和水。

为实现选择性降解，二氧化钛的结晶度和晶面发挥着重要作用。不同的形态能够对目标染料的降解产生选择性，而在TiO2表面引入分子位点，则可实现对目标化合物的选择性吸附和降解。

1、钛酸酯纳米结构的准备

研究发现，TiO样品展现出优异结晶度的纯锐钛矿形态，并我们通过Scherer公式计算得到微晶尺寸为69 nm。我们将这些数据与ICDD卡编号21-1272进行比较和索引，进一步验证其晶体结构。

在钛酸酯纳米管中，我们观察到主要特征峰位于2θ处，分别对应于（200）、（110）、（310）、（020）和（002）的晶格平面，与氢氧化钛水合物纳米管的晶格平面相一致。

在纳米管或纳米线的合成过程中，我们还观察到一种被称为纳米片（TNS）的中间产物的晶体结构。其2θ处的峰位为5.6°、10.6°、25.3°、29.6°、44.1°和48.3°，这些峰可以与三钛酸二氢盐（H2钛3O7）的结构相对应，同时与钛酸酯的单斜相相符。

但要注意，热液时间的增加到48小时，会引起TNW（纳米片的一种形式）中2θ处峰的强度变化。相较于钛酸酯纳米管，这些峰的位置为9.8°、24.2°、28.2°、48.2°和61.7°。

纳米片表现出与纳米管不同的特征，其2θ处的峰位为9.7°、24.5°、28.76°、48.3°和60.8°，分别对应于（200）、（400）、（310）、（203）、（1402）和（020）的晶格平面。

2、观察晶体结构

在这项研究中，形貌从二维形态（TNS）变为一维形态（TNT和TNW）的过程，以及不同热处理时间对其产生的影响。

在X射线衍射实验中，我们观察到在2θ处的峰强度，特别是在1.2°、9.8°和28.2°处显著增加，而48θ处的峰则减小。这些结果表明随着形貌的转变，晶体结构发生了明显的变化。

而TNT和TNW形态在24θ 2.2°处，就会出现了一个新的峰，这暗示着在这个阶段形成了一种新的晶体结构。

同时，61θ 2°处的峰值完全消失，表明在一维形态下，晶体结构发生了进一步的调整，或许与晶体的排列方式有关。因此，我们可以明确地看到，不同形态的纳米结构都具有独特的晶体取向和首选方向。

3、形貌变化过程

我们还可以通过进一步的研究，调控热处理时间来支持形貌变化的过程。特别是在短时间内，成功地形成了具有许多不均匀层的纳米片，同时也证实了纳米管结构的存在。我们通过分析，纳米管的平均内径约为4 nm，外径约为10 nm。

而当将热处理时间延长至48小时时，我们观察到纳米管逐渐转变为非空心结构的纳米线。这些纳米线的平均直径约为5 nm，然而，颗粒的大小呈现出明显的不均匀性。

我们在采用BET法计算表面积后，发现TNP、TNS、TNT和TNW的表面积分别为9、73、84和72 m2/g。这些数值代表了不同材料的特性。

但氮在TNS、TNT、TNW和TNP的表面等温线显示出，高相对压力下的磁滞环，表明这三种形态都具有介孔结构。

进一步的研究表明，在TNT的情况下，这种磁滞环可以归因于管道的内腔结构，其中的孔隙形成了介孔的特性。但在TNS和TNW的情况下，磁滞环主要是由于团聚片和线之间的孔隙引起的，这进一步证明了它们也是介孔材料。

1、电子特性

在纳米材料中，钛酸酯纳米结构的漫反射光谱具有重要的应用潜力。我们通过Kubelka-Munk分析，可以从漫反射光谱中计算样品的带隙能量。

这涉及使用等式F(R) = (1 - R)^2/2R，其中R是漫反射率。为了更精确地得到带隙能量，还引入修正的库贝尔卡-蒙克函数，它将F(R)函数与光子能量hv相乘，并结合与电子跃迁相关的相应系数n，形成(F(R) × hv)^n。

以三种钛酸酯纳米结构TNT、TNS和TNW为例，它们分别具有带隙能量为35.3 eV、5.3 eV和55.5 eV。这样的带隙能量差异很可能归因于尺寸的差异，因为纳米材料的光催化剂的带隙通常受尺寸影响而呈现出尺寸依赖性。

2、热液生长机理

在研究中，我们通过XRD、TEM和BET分析结果，可以观察到TNS、TNT和TNW的形成机理与现有文献一致。

对原料TiO进行了转化过程2（TNP）的详细研究后，我们得出原料氧化钛以及钛酸钠单层或多层纳米片的生长，是形成纳米管结构的重要步骤，这些纳米片在纳米管形成过程中扮演着关键的角色。

我们还观察到纳米片在形成纳米管时会发生弯曲，并且包裹在纳米管的表面上，钛酸酯纳米片不同位置的H或Na离子浓度不平衡会导致不对称的化学环境，从而促使纳米片弯曲。而多层纳米片的弯曲，是由于纳米片溶解和结晶过程中产生的机械张力所致。

在经过进一步的水热处理后，我们观察到纳米管会逐渐转变为纳米线结构，形成TNW。这个阶段的出现标志着纳米管，向着更加有序的纳米线结构的演化过程。

3、光催化降解CV

（1）染料溶液pH值的影响

我们研究了不同pH值下CV水溶液浓度随照射时间的变化，显示出在pH 3下，三种形态对CV的活性表现最佳，TNW、TNT和TNS在分别经历100、35和45分钟照射后，CV降解率达到了75%。

然而，在将溶液pH值提升至5和7时，三种形态都未能在8小时（840分钟）内完全降解CV，TNT在pH 5下降解率为98%，而TNS在pH 7下降解率为95%。对比在弱碱性溶液（pH 8）中的表现，TNT、TNS和TNW的光催化活性再次提升，分别达到100%、99%和88%。

这种增加的活性可以归因于碱性溶液（OH）中的羟基离子的存在。羟基离子与光催化剂导带中的空穴反应，形成羟基自由基，这些自由基会攻击染料分子，将其转化为更小的中间分子，最终生成CO2和H2O。

值得一提的是，CV在pH值≥9时呈无色，在高酸性pH值下颜色也会发生变化，因此，本研究将pH值范围选择在3至8之间。

（2）zeta电位、表面积和钛结构的影响

在研究不同pH值下，使用不同纳米结构进行CV（光催化降解）时，引人注目的发现是光催化活性与zeta电位并没有强烈的关联。

以TNW（某种纳米结构）为例，在pH 34条件下，其最高zeta电位值为-7，但其降解百分比却处于较低水平，意味着zeta电位并不是唯一影响光催化活性的因素。

我们还测量了不同纳米结构的BET表面积，测量结果之间的差异十分微小，分别为73、84和72米2/g，分别代表了TNS、TNT和TNW。这表明BET表面积对光催化活性的影响不大。

而在光催化过程中，首要步骤是将目标分子吸附在光催化剂表面，其重要性不可忽视，因为它直接影响整体催化效率。

加上，吸附阶段涉及诸多影响选择性的因素，如催化剂的数量、大小、形貌和表面特性，以及目标化合物的性质和尺寸。

前期研究显示，我们通过调控二氧化钛（TiO2）暴露表面的形态，如改变TiO2纳米粒子的形状，可以显著影响其对空气污染物的选择性。

在将氮气氧化成一氧化氮或三氧化氮的过程中，经过煅烧的锐钛矿型纳米片上暴露的TiO2 {101} 或 {001} 晶体面表现出最佳的光催化活性。

我们还通过改变TiO2 表面的刻面蚀刻程度，可以调控对偶氮染料在水中的光催化降解过程的选择性，将球形结构转变为层状和管状形态的TiO2，导致每种形态对染料的优先降解程度不同。

在这项工作中，某些形态的TiO2对某种特定染料具有更高的吸附亲和力，在特定pH值下，比其他形态更快地促进分解反应。

采用水热法成功制备了具有不同形貌的钛酸酯纳米结构，包括纳米片、纳米管和纳米线。这些纳米结构被用作催化剂，并以CV为模型染料进行了光催化活性测试。

实验结果显示，这三种形貌的钛酸酯纳米结构在降解模型染料方面，呈现出不同的效率。特别值得注意的是，纳米管形貌展现出最高的降解效率，这为其在光催化领域的应用提供了引人注目的前景。

基于这些新的发现得出结论，我们通过调整钛酸酯的形貌，可以有效地调节其光催化活性。这一成果为进一步优化光催化材料的性能和应用提供了有力的支持。

未来，针对钛酸酯纳米结构的形貌调控可能成为光催化技术中的关键研究方向，为环境治理和能源转换等领域的可持续发展做出重要贡献。

1. 钟敏， 金斌， 周长， 等.光催化水处理技术的最新进展：综述。水研究 2010;44(10): 2997–3027.

2. 阿克潘 UG， 哈米德·影响TiO光催化降解染料的参数2基于光催化剂：综述。J 危险材料 2009;170(2): 520–529.

3. 拉赫布 H， 普泽纳特 E， 华阿斯， 等.紫外线照射二氧化钛在水中光催化降解各种类型的染料（茜素S，番红黄绿素橙G，甲基红，刚果红，亚甲基蓝）。应用Catal B Environ 2002;39(1): 75–90.

4. 刘飞， 蒋莹， 陈珞， 等.PbBiO的新型合成2具有增强可见光光催化活性的Cl/BiOCl纳米复合材料.今日卡塔尔2018;300: 112–123.

5. 古普塔AK，帕尔A，萨胡C.使用Ag+掺杂TiO光催化降解水悬浮液中结晶紫（碱性紫3）和甲基红染料混合物2.染料猪 2006;69(3): 224–232.

6. 朴 H， 朴 Y， 金 W， 等.TiO的表面改性2用于环境应用的光催化剂。J Photoch Photobio C 2013;15: 1–20.

7. 陈芳， 方萍， 高茹， 等.有效去除TiO上的高色度结晶紫2-我们通过吸附-光催化降解的纳米片。化学工程学报 2012;204: 107–113.