赵东元院士/兰坤，Nature Protocols！

米测MeLab

2025-06-09

研究背景

二氧化钛（TiO₂）是一种具有半导体性质的材料，因其稳定性、环保性和丰富的资源优势，已广泛应用于催化、传感、能源存储与转换等多个领域。与传统的TiO₂材料相比，介孔TiO₂材料因其高比表面积、优异的表面接触性和良好的质量扩散特性，展现出了更为突出的性能，尤其在光催化、电化学和能源存储等应用中具有明显优势。然而，TiO₂的制备仍然面临诸多挑战，特别是在控制其介孔结构、晶体相和尺寸方面，现有的方法难以精确调控TiO₂的形态和结构，导致性能的提升受到限制。

为此，来自复旦大学/内蒙古大学赵东元院士和内蒙古大学兰坤教授合作在“Nature Protocols”期刊上发表了题为“Facile synthesis of mesoporous TiO2 architectures with tunable configurations and nanometer precision”的最新论文。该团队通过设计一种简单且高效的溶液自组装方法，成功制备了多种具有精确控制的介孔TiO₂结构。该方法利用了胶束水凝胶作为中间体，在特定条件下通过一步步自组装的方式，调控了TiO₂的形态、孔结构及其晶相，成功获得了包括三维裂纹状微球、二维单层纳米片等多种介孔TiO₂结构。

通过此方法，研究团队能够精确调控TiO₂的晶体相（如锐钛矿与金红石相的相互转化），以及介孔的尺寸、晶粒大小等关键参数，这为提高TiO₂的光电性能和催化效率提供了新的解决方案。具体来说，所合成的TiO₂材料展现出显著的电化学性能提升，尤其在光催化和储能设备中的应用表现出极大的潜力。实验结果表明，该方法能显著提升TiO₂的性能，成功地获得了具有高度有序介孔结构和可调孔径的TiO₂样品。

该研究为介孔TiO₂材料的合成提供了一种全新的思路，具有重要的理论价值和实际应用前景。未来，随着对该方法的进一步优化和规模化应用，TiO₂在能源、催化和传感等领域的应用将更加广泛，并有望推动新型材料的开发与应用。

研究亮点

（1）实验首次提出了一种基于溶液的自组装方法，用于合成多种介孔TiO₂（mTiO₂）结构，并成功实现了其在原子尺度、纳米尺度和介观尺度的精确调控。该方法通过可调节的微胶束水凝胶中间体的组装，合成了不同形态、孔结构和晶体结构的TiO₂材料。

（2）实验通过采用F127/TiO₂复合胶束水凝胶，成功制备了具有高度可调结构的介孔TiO₂材料，并表征了其原始微胶束水凝胶的形态和性能。水凝胶合成过程约需21小时，后续合成的TiO₂材料通常需要50小时。研究提供了详细的合成步骤和条件，确保了实验的可重复性。

（3）实验通过控制胶束自组装过程，成功构建了不同形态的TiO₂介孔结构，如3D裂缝状微球、2D单层纳米片及在基底上的薄膜/膜层结构。不同的合成条件下，得到了具有可调孔径、不同晶体相（如锐钛矿和金红石相）的TiO₂材料，表现出优异的电化学性能和光催化性能。

图文解读

图1：基于溶液的自组装方法概述，用于制造多功能介孔TiO₂（mTiO₂）结构。

图2：原始F127/TiO₂复合胶束水凝胶的制备与表征。

图3：3D裂缝状介孔TiO₂微球的合成过程示意图。

图4： 2D单层介孔TiO₂纳米片的制备与表征。

图5: 在基底上合成高度有序的介孔TiO₂薄膜/膜层。

结论展望

本文提供了一种新颖的基于溶液的自组装方法，用于精确合成多种形态、结构和晶相的介孔TiO₂材料，为材料科学领域提供了重要的科学启迪。首先，实验通过创新的微胶束水凝胶组装技术，实现了介孔TiO₂材料在原子、纳米及介观尺度上的精细调控，展示了可调性强、结构多样的TiO₂材料在催化、传感等领域的广泛应用潜力。

其次，本文的研究方法强调了控制自组装过程中的微观环境，从而精确调控TiO₂的晶体相、孔径和晶粒尺寸等重要参数，这对于提升材料的性能至关重要。最值得注意的是，该方法克服了传统合成方法中对快速水解与凝结的难以控制的挑战，确保了材料的高重复性和可操控性，为未来功能化多孔材料的制备提供了新的思路和技术路线。总之，本文的研究不仅为TiO₂材料的合成提供了新途径，也为更广泛的纳米材料设计和应用奠定了基础，启发了纳米尺度材料精准调控和功能化发展的新方向。

原文详情：

Zhang, J., Li, J., Wen, X. et al. Facile synthesis of mesoporous TiO2 architectures with tunable configurations and nanometer precision. Nat Protoc (2025).

 https://doi.org/10.1038/s41596-025-01175-3