挥发性有机物（VOCs）一般定义为在20℃，饱和蒸汽压不小于0.01kPa的环境下，或在某些特定条件下具有挥发性的化合物。当下已知的VOCs有500多种，主要典型物质包括苯、甲苯、甲醛、二甲苯等气体，这些气体超过一定浓度会使人们产生一系列亚健康效应，甚至是致癌。室内总挥发性有机物（TVOC）的浓度在 0.1~35mg/m³时人们会出现头晕眼花和昏睡感等症状，超过这一区间可能还会出现休克、死亡等可怕情况。由于对接触VOCs的人的健康产生不利影响，室内VOCs的排放一直是世界许多政府考虑的问题。而中国最新发布的GB/T 18883—2022《室内空气标准》更改了甲醛、苯类等气体的标准限值，对VOCs的把控更加严格。室内VOCs的主要来源有地毯、人造板材、涂料等室内产品。

传统治理VOCs的方法包括：燃烧法、冷凝法、生物降解法、吸收-吸附法、膜分离法、和催化氧化法等。但这些方法存在二次污染、成本高、条件苛刻、后期处理较为困难等问题。与传统的VOCs治理方法对比，光催化（PCO）技术具有操作简单、无二次污染、稳定性好等优点，可以有效地去除空气中的VOCs，该技术用于降解室内VOCs，有更广的应用前景。TiO₂作为研究用于降解有机污染物最为广泛的光催化剂，其光催化作用受到多方面限制。近些年来，研究者们致力于研究TiO₂如何提高其光催化性能。

TiO₂光催化机理的理解大多基于光生电子-空穴理论，如图1所示，TiO₂在紫外光照射下激发价带（VB）上的电子（e^-）跃迁到导带（CB）上，而价带上对应的空缺就形成了空穴（h⁺），h⁺与吸附在 TiO₂ 表面的 H₂O 或者氢氧根离子（OH-）反应成·OH（羟基自由基）。而e^-与吸附在TiO₂ 表面的氧分子发生还原反应形成·O₂（超氧自由基），后续还会有一系列反应也会生成羟基自由基（·OH）。·O₂^-和·OH具有极强的氧化性，能与空气中的VOCs发生链式反应，从而有效地将其转化为H₂O和CO₂等小分子。但所产生的光生载流子并不会全部能用于降解VOCs，有其中一部分由于静电引力的作用下，发生重组复合，转化为光能和热能。

图1  TiO₂光催化降解VOCs原理图

基于TiO₂的光催化原理，影响TiO₂光催化作用的因素主要有以下几点：（1）常用于研究的锐钛矿相TiO₂的禁带宽度为3.2eV，只有在近紫外区域才可激发TiO₂发挥光催化作用，其对可见光的利用率低下。（2）TiO₂产生的光生电子-空穴对的复合率较高，不能完全发挥光催化作用。（3）TiO₂的比表面积对光催化效果有一定影响，TiO₂对气体分子的吸附能力较差。除此之外，光照强度、气体浓度、温度相对湿度等环境因素对TiO₂的光催化作用也有一定影响，但在研究TiO₂吸附降解室内VOCs涉及的重点，应探究如何改善TiO₂对可见光的利用率、提高对气体分子的吸附能力以及抑制光生电子-空穴对的复合。

TiO₂降解VOCs所需要解决的主要瓶颈问题是：（1）TiO₂的禁带宽度较宽，对可见光波的利用率低；（2）光生电子-空穴对的复合导致光催化效率下降；（3）TiO₂对VOCs的吸附能力不够。因此，要改善TiO₂的光催化效果，只能对其进行改性处理。TiO₂的改性处理主要包括非金属元素掺杂、过渡金属掺杂、贵金属掺杂、稀土金属掺杂、共掺杂、半导体复合改性等。

对TiO₂进行非金属掺杂，最早是由Sato将氧化氮分解后得到的N₂与TiO₂反应。非金属掺杂改变了TiO₂的能带结构，破坏了TiO₂部分原有的晶体结构后与非金属元素重组，使TiO₂对光波的吸收向可见光偏移。后来有学者将N掺杂到TiO₂中，发现可以有效地提高其光催化性能。

朱文怡等利用溶胶-凝胶法制备了N/TiO₂光催化剂，在500W氙灯模拟可见光的照射下5h对甲醛的降解率达到了71.50%，荧光光谱（PL）分析表明，PL峰值越低则表示光生电子-空穴对分离越快，N掺杂TiO₂可以有效地抑制光生电子-空穴对复合，从而提高降解效率；通过对比N/TiO₂和TiO₂的光催化降解可知，N掺杂TiO₂使降解率提高了接近20%。国内外学者还将其他非金属元素掺杂到TiO₂中如碳、硫、氟（C、S、F）等，使其光催化性能得以提升。

过渡金属Mn、Fe、Cu、Ni的氧化物常常用作制备催化剂来降解VOCs，所以筛选对TiO₂的过渡金属掺杂时，也会优先考虑Mn、Fe、Cu、Ni等元素。

以铁离子掺杂为例，机理如图2所示，Fe³⁺和Fe²⁺将Ti⁴⁺还原成Ti³⁺，Ti³⁺与氧分子一起会加速对光生电子的传导和入射光的吸收，Fe³⁺和Fe⁴⁺会接受光生电子，加速光生载流子的生成，增强TiO₂的光催化活性。李崇裔等利用一步法合成了Fe掺杂混晶TiO₂，结果表明由于Fe的加入使TiO₂的禁带宽度降低至1.87eV，对可见光的吸收边缘拓宽至663nm。

图2  TiO₂掺杂Fe后的光催化反应机理图

稀土金属对TiO₂掺杂主要应用对液相污染物的降解中，其通过改变TiO₂催化相结构和表面形态来提高TiO₂的光催化性能。研究发现，稀土金属掺杂到TiO₂中会引起“上转换发光”。

金、银、铂、钯（Au、Ag、Pt、Pd）等贵金属的掺入可以显著提高TiO₂的光催化活性。这是由于贵金属较TiO₂的费米能级低，在光催化过程中电子会从TiO₂转移到贵金属上，有效抑制了光生电子-空穴对的复合，在这个过程中贵金属作为转移或捕获光生电子的中间体。

半导体复合改性是将其他具有吸收可见光能力的半导体与TiO₂进行改性组合，或是可以改善TiO₂发挥光催化作用的条件，使改性后的复合材料，具有更加优良的光催化性能。

此前对TiO₂复合比较多的半导体材料有MnO₂、SnO₂、Cu₂O、ZnO等过渡金属氧化物，对TiO₂进行一种或多种半导体掺杂可使复合材料具备多种半导体的特性，比如MnO₂的禁带宽度较低，掺杂后复合材料对可见光的响应范围增大，但这种复合可能会影响复合材料的比表面积、吸附能力等导致实际光催化效果并不理想，不能达到“1+1>2”的效果，甚至可能出现“1+1<1”，所以后来半导体掺杂的重心往既能提高TiO₂的光响应范围，又能改善其的光催化降解条件的方向发展。

单一离子掺杂对TiO₂光催化效果的影响是有限的，所以大量学者对TiO₂进行多种离子掺杂，寻求对其光催化效果的多方面影响，探究对其光催化过程中是否具有协同作用。目前的共掺杂方式有非金属与非金属、金属与金属、非金属与金属。有研究表明金属离子和非金属离子共掺杂，可以有效改善TiO₂对可见光的利用率。

随着对TiO₂光催化研究的加深以及对其实用性的考虑，改性TiO₂材料若用于室内VOCs的降解，TiO₂基材料需要合适的载体发挥其光催化降解作用。从室内VOCs的来源以及对VOCs的吸附性分析，将TiO₂基光催化剂与室内装饰品或建材联合改性成为一种新的研究方向。除此之外，TiO₂基材料负载到陶瓷、玻璃、金属等材料上，对其光催化性能也有一定积极影响。

纳米TiO₂作为治理室内VOCs的重要光催化剂，其光催化作用受到多方面限制。通过汇总各种TiO₂基材料的光催化性能研究以及阅读大量相关文献可知，研究如何提高TiO₂对VOCs的光催化降解效果，需要从以下方面对其进行改善：（1）提高TiO₂对可见光的利用率；（2）增强TiO₂对气相污染物的吸附性；（3）抑制光生电子-空穴对的复合。

单纯从对TiO₂改性的角度，对TiO₂掺杂需要考虑诸多因素：掺杂类型的选择，掺杂工艺的优化比如材料的制备方法、温度、pH、掺杂比等。要将TiO₂基材料实际应用到降解室内VOCs，还需考虑TiO₂基材料的载体，如将其负载到地毯、窗帘等室内装饰纺织品上，还需考虑复合材料在纺织品上的牢固效果、纺织品对复合材料光催化效果的影响、该纺织品的外观需求及其他功能等。