在應對日益嚴重的水污染挑戰中，高級氧化過程(Advanced Oxidation Processes, AOPs)被視為一種高效且可持續的解決方案。其中，基于半導體材料的光催化技術，特別是利用二氧化鈦(TiO₂)的光催化，因其化學性質穩定、低毒性和良好的光電性能而備受關注。然而，傳統的TiO₂光催化劑仍面臨兩大核心難題：一是其光吸收主要局限于紫外線區域，對太陽能的利用率低；二是光生電子與空穴的快速復合，極大降低了催化效率。為了突破這些限制，研究者們嘗試了多種策略，例如構建異質結、調控能帶、進行表面修飾等。其中，將TiO₂的不同晶相（如銳鈦礦(Anatase)和板鈦礦(Brookite)）進行復合，被認為能有效促進界面電荷轉移，從而提升光催化性能。但一個關鍵的科學問題尚未得到系統解答：在合成這些復相納米材料時，具體的水熱條件（如溫度和時間）是如何協同作用，進而精細調控其結構、表面性質乃至最終的光催化活性的？大多數研究僅孤立地改變單一參數，缺乏對因素間交互作用及其相對重要性的量化分析。為了填補這一知識空白，來自巴西聯邦巴拉那理工大學的Maria Eduarda Morais及其合作者開展了一項系統研究，成果發表在《Catalysis Today》上。

為了系統揭示水熱參數的影響，研究人員主要采用了以下幾項關鍵技術方法：首先，他們運用了基于中心復合可旋轉設計(Central Composite Rotatable Design, CCRD)的實驗設計方法，以水熱溫度和時間作為變量，系統合成了11個TiO₂樣品。在表征方面，他們綜合運用了X射線衍射(XRD)結合Rietveld精修來定量分析物相組成和晶粒尺寸，拉曼光譜(Raman)用于確認晶相，傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析表面官能團，場發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)觀察形貌，氮氣吸附-脫附(BET)法測定比表面積和孔結構，動態光散射(DLS)和Zeta電位分析膠體行為，以及光聲光譜(Photoacoustic Spectroscopy, PAS)測定光學帶隙。在性能評估上，他們以亞甲基藍(Methylene Blue, MB)和苯酚(Phenol)為目標污染物，在鹵素燈照射下進行光催化降解實驗，并采用浮萍(Lemna minor)進行生態毒性評估，以考察處理過程的環境友好性。

FTIR光譜顯示所有樣品均具有TiO₂的特征振動峰，包括表面羥基和吸附水的O-H伸縮振動峰，以及~528 cm^-1處的Ti-O晶格振動峰。光譜的定性特征相似，但O-H和H-O-H彎曲區域的峰強存在細微差異，暗示水熱條件可能影響了表面羥基化程度和吸附水量，這可能與晶粒尺寸和比表面積的變化有關。

FE-SEM圖像顯示所有材料均由納米級初級粒子團聚成較大的次級聚集體，這是溶膠-凝膠法制備TiO₂的典型特征。盡管水熱條件影響了多種理化性質，但不同樣品間的整體顆粒形狀、聚集體尺寸和表面紋理相對相似，這表明水熱處理主要影響結晶度和表面化學性質，而非宏觀形貌。

XRD圖譜結合Rietveld精修表明，所有樣品均結晶為以銳鈦礦為主（含量在65.7%至83.9%之間）、板鈦礦為輔的混合相。在整個研究的設計空間內，水熱溫度和時間均未對銳鈦礦含量產生統計上顯著的影響，表明前驅體化學在決定兩相比例中起主導作用。通過Scherrer方程估算的銳鈦礦晶粒尺寸在4.5至7.0 nm之間，且主要隨水熱溫度的升高而增大，反應時間的影響次之。統計建模確認溫度是影響晶粒尺寸的主導因素。

拉曼光譜進一步確認了所有樣品中銳鈦礦和板鈦礦共存。在較低水熱溫度下合成的、具有較小晶粒尺寸的樣品，其位于~144 cm^-1處的銳鈦礦特征Eg峰更寬且略有藍移，這與聲子限域效應和較高的結構無序度一致。高溫樣品則呈現更窄、更強的Eg峰，反映了結晶度的提高。

通過光聲光譜測定的光學帶隙值在3.15至3.22 eV之間，屬于富銳鈦礦相TiO₂的典型范圍。統計分析表明，水熱溫度或反應時間對帶隙沒有顯著影響，證實了銳鈦礦-板鈦礦體系的電子結構在研究的合成窗口內具有魯棒性。

BET表征顯示樣品具有高比表面積（124-172 m²/g）和介孔結構。統計分析表明，水熱溫度是影響比表面積、孔體積和孔徑的主要變量。溫度升高傾向于產生更高的比表面積、更大的孔體積和更寬的孔徑。

動態光散射測量顯示所有樣品的水懸浮液均具有高多分散性，流體力學直徑分布很廣。Zeta電位值在負值到強正值之間變化，統計上受溫度影響顯著，表明溫度通過影響表面質子化改變了顆粒間的靜電相互作用。

所有TiO₂樣品在鹵素燈照射下對亞甲基藍均表現出高光催化活性，在90分鐘內接近完全降解，表觀一級速率常數(k_app)在0.050至0.133 min^-1之間，與商業TiO₂P25相當。統計建模證實，在所研究的參數范圍內，光催化效率（MB去除率和k_app）不受水熱條件的顯著影響。針對更頑固的污染物苯酚的補充實驗顯示，選定的樣品（Ti2, Ti4, Ti8）在不調節pH、以可見光為主的照射下實現了完全降解，性能優于P25。生態毒性評估表明，光催化處理后的廢液和納米顆粒浸出液對浮萍的生長抑制較低，顯示出良好的環境相容性。

基于CCRD的響應面建模和方差分析定量揭示了各因素的影響。水熱溫度是控制晶粒尺寸、Zeta電位、電泳遷移率以及織構（比表面積、孔體積、孔徑）性質的主導因素。然而，光催化性能的描述因子（MB去除率和k_app）對溫度和時間均無統計顯著性依賴，凸顯了光催化活性的穩定性。

綜合各項結果，研究闡明了清晰的結構-性能-活性關系。盡管水熱條件顯著調節了晶粒尺寸、表面電荷和織構性質，但物相組成、帶隙和光催化活性卻保持穩定。這種魯棒性源于銳鈦礦-板鈦礦異質結固有的、有利于電荷分離的電子結構。兩相間形成的界面有效促進了光生載流子的空間分離，抑制了復合，這一機制在整個合成參數范圍內持續有效，成為決定高光催化效率的主導因素，從而抵消了其他結構或膠體性質變化可能帶來的負面影響。

綜上所述，本研究通過系統性的實驗設計與多維度表征，深刻揭示了水熱合成參數對溶膠-凝膠法制備的銳鈦礦-板鈦礦TiO₂納米材料的影響規律。核心結論是：水熱溫度是調控材料晶粒尺寸、表面電荷和孔結構的關鍵因素，而反應時間的影響相對次要。然而，最重要的發現在于，盡管這些結構參數發生變化，但所有樣品均表現出高度一致且優異的光催化活性，能夠高效降解模型染料亞甲基藍和更頑固的污染物苯酚，并且處理后產物的生態毒性較低。這證明了銳鈦礦-板鈦礦復相體系具有固有的電子結構魯棒性和催化功能穩定性。其重要意義在于，該研究從統計上確認了此復相TiO₂光催化劑對合成條件波動具有較強的耐受性，這為實際應用中的工藝控制提供了寬容度。它表明，未來針對此類材料的優化重點，不應僅限于微調水熱參數，而可轉向通過可控摻雜、表面修飾或可見光敏化等策略，在保持其核心高效異質結結構的基礎上，進一步引入新的功能，從而開發出更高效、更環境友好的光催化材料，推動其在環境修復等領域的實際應用。