二氧化钛（TiO₂）是一种重要的宽带隙半导体。金红石是其在自然界中最常见、热力学上最稳定的晶相。

• 宽带隙半导体: 金红石相的带隙约为3.0 eV，比锐钛矿相（~3.2 eV）更窄。这使其能够吸收一部分可见光区的蓝紫光，并对紫外光有强烈的吸收。
• 高折射率与高介电常数: 这是金红石相最核心、最重要的光学和电学特性。金红石具有极高的折射率（~2.7）和介电常数（~100）。
  • 应用: 其高折射率使其成为最高级的白色颜料（钛白粉）和防晒霜中的核心紫外散射剂。其高介电常数使其在电容器和栅介质中具有重要应用。
• 高化学稳定性与硬度: 金红石是化学性质极其稳定、硬度很高的材料。

当金红石相TiO₂以一维纳米棒的形态存在时，其由巨大的比表面积和各向异性主导的纳米效应变得尤为突出。

• 巨大的比表面积效应: 极高的表面原子比例极大增强了表面相关的物理化学过程，使其光催化活性被急剧放大。
• 一维电荷传输: 一维的纳米棒结构为光生电子的快速传输提供了“高速公路”，可以有效地将电子导出至基底，从而促进电子-空穴对的分离，抑制其复合，提高光催化和光电转换效率。

对于金红石相TiO₂，其性能调控的核心挑战是拓宽其光响应范围至可见光区，以更高效地利用太阳能。通过掺杂是实现这一目标的最核心策略。

目标: 将非金属元素（如N, C, S）引入TiO₂的晶格中，以调控其能带结构。

• 氮（N）掺杂: 这是最常用、最有效的掺杂方式。通过在合成或后处理过程中引入含氮前驱体（如氨气、尿素），可以将N原子以替代O或间隙位的形式掺入。N的引入可以在TiO₂的价带顶之上形成新的N 2p能级，从而减小其有效带隙，使其能够吸收可见光，极大地提高了其对太阳能的利用效率。

目标: 将金属离子引入TiO₂的晶格中，以调控其电荷分离效率或引入新功能。

• 过渡金属掺杂 (如 Fe, Cr, V): 将过渡金属离子掺入TiO₂晶格，可以引入缺陷能级作为电子或空穴的陷阱，从而在一定程度上有利于抑制电子-空穴对的复合，提高光催化量子效率。
• 钨（W）掺杂: 掺杂钨可以显著提高TiO₂的电导率和电致变色性能。

金红石相TiO₂纳米棒，特别是垂直生长的阵列，由于其巨大的比表面积和优异的电荷传输特性，在光催化和光电催化领域是一种极具潜力的材料。

这是TiO₂最核心的催化应用，主要用于环境净化和能源转换。

• 基本原理: 在紫外光照射下，TiO₂产生高活性的电子-空穴对 (e⁻-h⁺)，进而生成强氧化性的活性氧物种（ROS）来降解有机污染物。
• 结构优势:
  • 高比表面积: 纳米棒阵列提供了巨大的反应表面积。
  • 高效电荷传输: 一维的纳米棒结构为光生电子的快速传输提供了“高速公路”，可以有效地将电子导出至基底，从而促进电子-空穴对的分离，抑制其复合，提高光催化量子效率。
  • 陷光效应: 纳米棒阵列结构可以多次反射和散射入射光，增加光程，提高光吸收效率。
• 与锐钛矿的协同效应: 商业上最成功的光催化剂（如P25）是一种锐钛矿-金红石混晶。这两种晶相之间形成的异质结，由于其能带匹配，可以极大地促进光生电子和空穴的空间分离，从而产生“1+1>2”的协同催化增强效应。

金红石型TiO₂纳米棒凭借其优异的化学稳定性、生物相容性和半导体特性，在生物传感领域是一种极具潜力的平台材料。

由TiO₂纳米棒阵列构成的电极是构建高灵敏度、高稳定性电化学生物传感器的理想平台。

• 酶基传感器: TiO₂纳米棒具有良好的生物相容性和化学稳定性，可以作为优异的固定化基质，用于固定葡萄糖氧化酶（GOD）等生物酶，构建高灵敏度的葡萄糖传感器。
• 光电化学生物传感:
  • 原理: 将生物识别分子（如DNA探针）固定在TiO₂纳米棒电极上。当目标分子与之结合后，会改变电极表面的电荷分布或空间位阻，从而影响其在光照下的光电流。
  • 优势: 这种传感方法将生物识别事件转化为可被精确测量的光电流信号，具有极高的灵敏度和低背景噪音的优点。

金红石型TiO₂纳米棒（Rutile TiO₂ NRs）因其高效的ROS生成能力和优异的生物相容性，在光动力学治疗和药物递送领域展现出巨大的应用潜力。

这是TiO₂在癌症治疗中最具潜力的应用之一。

• 原理: TiO₂可以作为一种高效、稳定的无机光敏剂。在紫外光照射下，它可以产生大量的活性氧（ROS）（如•OH, •O₂⁻）。通过将TiO₂纳米棒靶向递送到肿瘤部位，再用紫外光照射，即可利用这些ROS选择性地杀死癌细胞。
• 挑战: 其应用的主要限制在于需要使用对生物组织穿透深度很浅的紫外光作为激发源。通过掺杂或与上转换纳米颗粒复合，可以使其实现近红外光激发。

二氧化钛（TiO₂）作为一种被广泛批准用于食品添加剂（E171）、化妆品和防晒霜的材料，普遍被认为具有优异的生物相容性和极低的毒性。

• 高化学惰性: TiO₂的化学键极强，在生理环境中几乎不溶解，不会释放出有毒的金属离子。金红石相作为热力学最稳定的晶相，其化学惰性比锐钛矿相更高。

• 光毒性 (Phototoxicity): 这是TiO₂纳米材料最主要的潜在毒性机制。在有紫外光和氧存在的条件下，TiO₂会高效地产生大量的活性氧（ROS），对细胞产生强烈的氧化损伤。
• 致癌性争议: 国际癌症研究机构（IARC）将TiO₂列为2B类致癌物（可能对人类致癌），但这主要是基于大鼠在极高剂量下长期吸入TiO₂粉尘后观察到的肺部炎症和肿瘤，其与人类通过皮肤接触或口服的相关性仍在激烈争论中。

高质量、取向一致的金红石相TiO₂纳米棒的合成，通常依赖于在强酸性条件下的水热法。

这是在各种基底上生长垂直取向金红石相TiO₂纳米棒阵列的金标准方法。

• 原理:
  1. 反应体系: 将钛的前驱体（通常是钛酸四丁酯, TBOT 或 四氯化钛, TiCl₄）溶解在一个强酸性的水溶液中（最常用的是浓盐酸, HCl）。
  2. 基底准备: 将目标基底（通常是FTO导电玻璃）置于溶液中。
  3. 密封加热: 将整个体系密封于高压反应釜内，在相对较低的温度下（通常150-200 °C）加热数小时。在高温、高压和强酸性条件下，钛前驱体缓慢水解，并优先形成热力学上更稳定的金红石相晶核。
  4. 各向异性生长: 晶核会优先沿着金红石晶体的[001]方向快速生长，最终在基底上形成垂直取向的、高度有序的纳米棒阵列。
• 优势: 这种方法简单、可控，可以一步法在导电基底上直接生长出可用于光电化学器件的纳米棒阵列。

对二氧化钛纳米棒的精确表征是评估其光催化和光电性能的关键。对其晶相和形貌的表征尤为重要。

• 晶相与晶体结构: X射线衍射 (XRD) 和 拉曼光谱 (Raman) 是鉴定TiO₂晶相的金标准技术。
  • XRD: 金红石相在2θ ≈ 27.4°处有一个最强的（110）衍射峰，而在36.1°（101）和54.3°（211）也有特征峰。
  • Raman: 金红石相在~447 cm⁻¹和~612 cm⁻¹处有特征峰，可以与锐钛矿相（~144 cm⁻¹）清晰地区分开。
• 形貌与尺寸: 扫描电子显微镜 (SEM) 是表征TiO₂纳米棒阵列宏观形貌、长度、直径和排列情况最常用的工具。透射电子显微镜 (TEM) 则用于观察单根纳米棒的精细结构和晶格。

金红石相TiO₂的表面工程是其实现高效催化和光电器件应用的关键，其核心是构建异质结和表面功能化。

这是提高其光催化和光电转换效率的最有效策略之一。

• 贵金属沉积: 在TiO₂纳米棒表面负载少量的贵金属纳米颗粒（如铂Pt, 金Au）。这些贵金属可以作为电子捕获中心（electron sink），高效地捕获TiO₂导带上的光生电子，从而极大地促进电子-空穴对的分离。
• 半导体复合: 将TiO₂纳米棒与另一种窄带隙半导体（如CdS, CdSe）复合，形成核-壳或负载型异质结。窄带隙半导体负责吸收可见光，然后通过能带匹配，将光生电荷高效地转移到TiO₂上，从而实现可见光催化或提高光电转换效率。

这是其在染料敏化太阳能电池（DSSC）中的核心应用。

• 原理: 将一层有机染料分子吸附在TiO₂纳米棒阵列的表面。染料负责吸收可见光并产生电子-空穴对。激发态的染料分子会快速地将电子注入到TiO₂的导带中，电子通过TiO₂纳米棒网络被高效地传导至电极，从而产生光电流。