宏观块材钛酸锶（SrTiO₃）是一种原型钙钛矿氧化物，是功能陶瓷和薄膜外延生长领域最重要的模型材料和基底之一。

• 立方钙钛矿结构: 这是SrTiO₃最核心的结构特征。在室温下，SrTiO₃是完美的立方钙钛矿结构，具有中心对称性。
• 顺电性 (Paraelectricity): 与BaTiO₃不同，SrTiO₃的铁电相变温度极低（~105 K）。因此，在室温下，它不具有自发电偶极矩，是一种典型的顺电体。这意味着它**不具有压电性**和热释电性。
• 高介电常数: SrTiO₃具有非常高的介电常数（~300），是一种优异的电介质材料。
• 宽间接带隙半导体: SrTiO₃具有~3.25 eV的间接带隙，使其对可见光透明，对紫外光有强烈的吸收。

当SrTiO₃的尺寸缩小到纳米尺度时，其巨大的比表面积使其在催化领域的应用变得尤为突出。

• 巨大的比表面积: 纳米颗粒具有极高的比表面积，为光催化、多相催化和气体传感等应用提供了大量的活性位点。
• 缺陷诱导的性质: 纳米尺度的SrTiO₃表面和体相中通常富含氧空位等缺陷。这些缺陷可以作为催化活性中心，或在一定条件下诱导出弱的铁磁性。

对于SrTiO₃这种原型钙钛矿氧化物，通过用其它金属离子取代晶格中的Sr²⁺（A位）或Ti⁴⁺（B位）离子，是精细调控其电学、光学和催化性能的最核心策略。

目标: 引入施主杂质，使其从绝缘体转变为导体。

• 铌（Nb⁵⁺）掺杂: 这是最常用的n型掺杂方式。用五价的Nb⁵⁺取代四价的Ti⁴⁺，会引入一个额外的自由电子。掺杂后的SrTi₁₋ₓNbₓO₃（STNO）是一种性能优异的透明导电氧化物（TCO）。

目标: 引入施主杂质或调控晶格结构。

• 镧（La³⁺）掺杂: 用三价的La³⁺取代二价的Sr²⁺，同样可以引入额外的电子，使其成为n型半导体（LSTO）。
• 钙（Ca²⁺）/ 钡（Ba²⁺）掺杂: 用尺寸更小（Ca²⁺）或更大（Ba²⁺）的离子取代Sr²⁺，可以引入晶格应变，打破其中心对称性，从而在室温下诱导出铁电性。

钛酸锶（SrTiO₃）纳米颗粒作为一种化学性质极其稳定、能带位置合适的宽带隙半导体，在光催化分解水领域是一种里程碑式的、重要的模型催化剂。

这是SrTiO₃在催化领域最重要、最经典的应用。

• 原理:
  1. 在紫外光（能量 > 带隙）照射下，SrTiO₃价带的电子被激发到导带，产生电子-空穴对 (e⁻-h⁺)。
  2. 电子迁移到表面，将水中的质子（H⁺）还原为氢气（H₂）。
  3. 空穴迁移到表面，将水分子（H₂O）氧化为氧气（O₂）。
• 核心优势:
  • 合适的能带位置: SrTiO₃的导带底位置比水的还原电位更负，其价带顶位置比水的氧化电位更正。这意味着，从热力学上看，其光生电子和空穴的能量都足以同时驱动水的还原和氧化，是少数几种能够实现全分解水（Overall Water Splitting）的半导体之一。
  • 优异的化学稳定性: SrTiO₃在光催化反应中极其稳定，不会发生光腐蚀。
• 挑战: 其宽带隙使其只能利用太阳光谱中的紫外光部分（，能量利用效率低。

钛酸锶纳米颗粒（SrTiO₃ NPs）不具备荧光等适合直接成像的特性。其在生物传感领域的应用主要利用其巨大的比表面积和优异的化学稳定性。

• 电化学生物传感:
  • 原理: SrTiO₃纳米颗粒修饰的电极具有巨大的电化学活性表面积和优异的稳定性，可以固定大量的生物识别分子（如酶、抗体），从而显著放大电化学信号，提高传感器的灵敏度。

钛酸锶纳米颗粒（SrTiO₃ NPs）因其无与伦比的生物相容性，在药物递送和生物医学领域是一种极具潜力的安全载体。

SrTiO₃的巨大比表面积和易于功能化的表面使其成为一种理想的药物递送平台。

• 高载药量: 其巨大的比表面积，使其能够通过物理吸附或共价键，高效负载化疗药物。
• 高生物相容性: SrTiO₃由生物相容的锶、钛、氧元素组成，且化学性质极其稳定，在生理环境中几乎不溶解，离子释放量极低，因此被认为是高度安全的纳米载体。

• 原理: SrTiO₃可以作为一种高效的光敏剂。在紫外光照下，它可以产生大量具有强细胞毒性的活性氧物种（ROS）。通过将SrTiO₃ NPs靶向递送到肿瘤部位，再用紫外光照射，即可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。

钛酸锶（SrTiO₃）由于其极高的化学稳定性和生物相容的组分元素，普遍被认为具有优异的生物相容性和极低的细胞毒性。

• “绿色”的元素组成: SrTiO₃由生物相容的锶（Sr）、钛（Ti）和氧元素组成，从根本上避免了重金属离子（如Cd²⁺, Pb²⁺）或有毒元素泄漏带来的严重细胞毒性问题。
• 极低的离子释放: SrTiO₃的钙钛矿晶格结构非常稳定，在生理环境中极难溶解，因此其锶离子（Sr²⁺）和钛离子（Ti⁴⁺）的释放量极低。这是其被认为具有良好生物相容性的主要原因。
• 化学惰性: SrTiO₃表面化学性质稳定，不易与生物分子发生非预期的反应。

由于其优异的生物相容性和低毒性，SrTiO₃纳米颗粒在生物医学应用中前景广阔。然而，与所有纳米材料一样，其长期生物安全性仍需系统的研究来证实。

高质量、尺寸和形貌均一的钛酸锶纳米颗粒的合成，通常依赖于在高温液相或固相中进行的反应。

这是制备高质量、单晶钛酸锶纳米颗粒最常用的方法。

• 原理:
  1. 前驱体制备: 在水或醇类溶剂中，将可溶性的锶盐（如SrCl₂, Sr(OH)₂）和钛的前驱体（通常是钛的醇盐，如钛酸四丁酯TBOT，或非晶的TiO₂）混合。
  2. 添加矿化剂/碱: 加入强碱（通常是氢氧化钠NaOH或氢氧化钾KOH）来提供形成氧化物所需的高碱性环境，并促进前驱体的溶解和反应。
  3. 高压反应: 将混合溶液密封于一个高压反应釜内，在一定温度下（通常150-240 °C）加热数小时至数十小时。在高温高压下，前驱体溶解、反应并原位晶化，形成钙钛矿结构的SrTiO₃。
• 优势: 这种方法可以一步法合成出结晶质量高、形貌均一（如立方体、球形）的SrTiO₃纳米颗粒。

这是一种传统的陶瓷粉末制备方法，成本低廉，适合大规模生产。

• 原理: 将锶的前驱体（如SrCO₃）和钛的前驱体（如TiO₂）的粉末按照化学计量比均匀混合，然后进行高温（通常>1100 °C）煅烧，使其发生固相反应生成SrTiO₃。最后通过球磨等方法将其破碎至纳米尺寸。

对钛酸锶纳米颗粒（SrTiO₃ NPs）的精确表征是评估其介电和催化性能的关键。对其晶体结构的表征尤为重要。

• 晶体结构与物相: X射线衍射 (XRD) 是确认样品是否为纯的立方钙钛矿结构的最关键技术。通过分析衍射峰的位置和强度，可以确认其晶相，并通过谢乐公式估算平均晶粒尺寸。
• 拉曼光谱 (Raman): 拉曼光谱对SrTiO₃的晶体对称性极其敏感。中心对称的立方相在理论上没有一级拉曼峰，因此无拉曼峰是其高纯度立方相的直接证据。而缺陷或应变诱导的二阶拉曼峰则可以提供更丰富的结构信息。
• 形貌与尺寸: 透射电子显微镜 (TEM) 是直接观察SrTiO₃ NPs尺寸、形貌和分散性的金标准。

• 吸收光谱: 紫外-可见吸收光谱 (UV-Vis)。通过分析其吸收边，可以精确地计算出其光学带隙。
• 介电性能: 使用介电谱仪测量其介电常数和介电损耗随频率和温度的变化，是评估其作为电介质材料性能的核心。

钛酸锶纳米颗粒的表面工程是其实现生物医学应用和高级复合材料应用的前提，其核心任务是提高其在各种介质中的分散性和稳定性，并共价连接功能分子。

裸露的SrTiO₃纳米颗粒在生理环境中容易发生团聚并与蛋白质非特异性吸附。

• 硅烷化修饰: SrTiO₃表面富含羟基（-OH），可以通过成熟的硅烷化学，方便地引入氨基、羧基等官能团，或直接连接上PEG链。
• 聚合物包覆: 利用聚乙二醇(PEG)、葡聚糖、壳聚糖等生物相容性高分子对SrTiO₃进行包覆，同样可以显著提升其在生理环境中的分散性和稳定性。

这是将其用作复合材料填料的关键。

• 硅烷偶联剂: 通过使用硅烷偶联剂，可以在SrTiO₃纳米颗粒的表面引入能够与聚合物基体（如环氧树-脂）发生化学反应的官能团。这样可以在填料与基体之间形成牢固的化学键，从而显著提高复合材料的介电性能。