二氧化钛（TiO₂）是一种重要的宽带隙半导体。通过阳极氧化法制备的TiO₂纳米管，其性质由其高度有序的管状阵列结构决定。

• 宽带隙半导体: 退火后的TiO₂纳米管通常为锐钛矿相，其带隙约为3.2 eV，对紫外光有强烈的吸收。
• 高化学稳定性与生物相容性: TiO₂化学性质极其稳定，被认为是一种安全、无毒的材料。

TiO₂纳米管的独特性质完全来自于其高度有序的、垂直于基底的一维管状阵列结构。

• 巨大的比表面积: 高度有序的纳米管阵列结构使其具有极高的比表面积（远高于致密薄膜），为光催化、传感和储能等应用提供了海量的活性位点。
• 优异的电荷传输性能: 这是TiO₂纳米管相比于随机堆叠的TiO₂纳米颗粒最核心的优势。其一维的管状结构为光生电子的传输提供了无晶界的、定向的“高速公路”，电子可以极快地从管壁传输到底部的导电基底上。这种高效的电荷收集能力极大地抑制了电子-空穴对的复合，从而显著提高了其在光电催化和染料敏化太阳能电池中的性能。
• 陷光效应: 纳米管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。
• 中空管状结构: 其管状结构可以作为药物的容器，用于药物递送。

对于TiO₂纳米管，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。通过在阳极氧化后的退火过程中，通入氨气（NH₃）作为氮源，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。

二氧化钛纳米管（TiO₂ NTs）阵列由于其巨大的比表面积和优异的电荷传输特性，在光电催化领域是一种性能无与伦比的材料。

这是TiO₂纳米管最核心的催化应用，主要用于能源转换和环境净化。

• 基本原理: 在紫外光照射下，作为光阳极的TiO₂纳米管阵列产生电子-空穴对 (e⁻-h⁺)。在外加一个小的正向偏压下：
  • 光生空穴 (h⁺) 停留在纳米管表面，氧化水或有机污染物。
  • 光生电子 (e⁻) 通过一维的纳米管通道被高效地导出至外部电路。
• 结构优势:
  • 高效电荷分离: 外加偏压和一维的定向传输通道，使得电子和空穴被极其高效地分离，其光电转换效率远高于无规的纳米颗粒薄膜。
• 应用:
  • 光电催化分解水: 是目前最有前途的太阳能制氢技术之一。
  • 光电催化降解污染物: 比传统光催化具有更高的降解效率。

二氧化钛纳米管（TiO₂ NTs）阵列凭借其优异的化学稳定性、生物相容性和独特的纳米形貌，在生物医学植入物和生物传感领域具有革命性的应用潜力。

这是TiO₂纳米管在生物医学中最重要、最有优势的应用。

• 原理: 可以直接在钛（Ti）金属植入物（如人工关节、牙科植入体）的表面，通过阳极氧化法原位生长出一层高度有序的TiO₂纳米管阵列。
• 核心优势:
  • 促进骨整合: 纳米管的形貌可以为成骨细胞的粘附、增殖和分化提供理想的仿生纳米拓扑结构，从而极大地促进植入物与骨组织的整合（骨整合），缩短愈合时间并提高植入的成功率。
  • 作为药物洗脱支架: 纳米管的中空结构可以作为“纳米储药库”，用于负载抗生素或生长因子等药物。植入后，这些药物可以从管中缓慢释放，起到预防感染或促进组织生长的作用。

由TiO₂纳米管阵列构成的电极是构建高灵敏度、高稳定性生物传感器的理想平台。

二氧化钛纳米管（TiO₂ NTs）因其高效的ROS生成能力和作为药物载体的潜力，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）。通过将TiO₂纳米管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。

TiO₂纳米管的中空结构和高比表面积使其成为一种理想的药物递送平台。

• 高载药量: TiO₂纳米管的管腔可以作为“纳米储药库”，通过简单的浸渍即可高效负载化疗药物。
• 可控释放: 药物的释放可以通过扩散控制，或通过在管口修饰智能“门控分子”来实现刺激响应性释放。

二氧化钛（TiO₂）作为一种被广泛批准用于食品添加剂、化妆品和医疗植入物的材料，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。

• 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。
• 纤维状毒理学: 与其它高长径比纳米材料类似，如果从基底上脱落的TiO₂纳米管长度足够长，它们可能会在被吸入肺部后，引发一定的炎症反应。

高质量、高度有序的二氧化钛纳米管阵列的合成，几乎完全依赖于一种极其简单、可控的电化学方法——阳极氧化法。

这是在钛金属基底上直接生长出自组织纳米管阵列的金标准方法。

• 反应装置: 将一块高纯的钛（Ti）箔作为阳极，一块耐腐蚀的导体（如铂）作为阴极，浸入到电解液中。
• 电解液: 电解液通常是含有少量氟离子（F⁻）的有机溶剂（如乙二醇）或水溶液。
• 反应原理: 这是一个氧化和化学溶解之间动态竞争与平衡的过程。
  1. 施加电压: 在阳极（钛箔）上施加一个恒定的正向电压（通常10-60 V）。
  2. 氧化层形成: 钛箔表面会迅速被氧化，形成一层致密的TiO₂钝化层。
  3. 成孔与生长: 电解液中的氟离子（F⁻）会对这层氧化层进行局部的化学溶解，形成孔洞。同时，电场会集中在孔洞的底部，促进该处钛的进一步氧化。
  4. 动态平衡: 在孔洞底部，氧化的速率大于溶解的速率，导致孔洞不断向钛基底内部生长；而在孔洞的壁上，氧化和溶解达到平衡。这种动态平衡最终导致了高度有序、垂直于基底的纳米管阵列的形成。
• 结构调控: 通过精确地调控阳极氧化电压、电解液中F⁻的浓度和含水量、以及氧化时间等参数，可以方便地、可重复地制备出具有特定管径、壁厚和长度的TiO₂纳米管阵列。
• 晶化: 刚制备出的TiO₂纳米管是无定形的。通常需要通过在空气中高温退火（通常400-500 °C），使其结晶为具有光电活性的锐钛矿相。

对二氧化钛纳米管（TiO₂ NTs）的精确表征是评估其光电化学和生物学性能的关键。对其形貌和晶相的表征尤为重要。

• 形貌与尺寸: 扫描电子显微镜 (SEM) 是表征TiO₂纳米管阵列宏观形貌、管径、壁厚、长度和有序度的金标准技术。通过俯视图和截面图可以获得所有关键的结构信息。
• 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。通过对比标准谱图，可以准确地鉴定退火后的纳米管是锐钛矿相、金红石相还是混晶。

• 光电流响应: 在三电极体系中，将TiO₂纳米管阵列作为工作电极，测量其在光照下的光电流-电压（I-V）曲线和光电流-时间（I-t）曲线，是评价其光电转换效率和稳定性的最直接方法。

二氧化钛纳米管的表面工程是其实现高效催化和生物医学应用的关键，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纳米管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纳米管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。

这是将TiO₂ NTs与生物系统连接，实现生物传感和靶向递送的关键。

• 硅烷化学: TiO₂纳米管表面天然富含羟基（-OH）。利用这些羟基，可以通过经典的硅烷化学引入氨基等官能团，再通过EDC/NHS化学等偶联反应，将抗体、DNA探针等生物识别分子共价地连接到TiO₂纳米管的表面或孔道内部。