TiO2基水凝胶在光催化中的应用：最新进展和未来前景

王德松，刘 昊，张森林，肖周荣，谷建民,3，王继东,3

(1.燕山大学 环境与化学工程学院，河北 秦皇岛 066004;2.燕山大学 河北省应用化学重点实验室，河北 秦皇岛 066004;3.燕山大学 亚稳态材料科学与技术国家重点实验室，河北 秦皇岛 066004)

0 引言

如今，能源紧缺和环境污染已成为阻碍人类社会发展并且亟需解决的重要问题[1-2]。过去几十年里，抗生素的滥用导致耐药细菌向水生系统中大规模传播，将在未来对人类社会造成毁灭性的打击[3]。因此，我们迫切需要高效且绿色的方法来产生清洁能源、获得纯水以及控制致病菌在水中的传播。光催化技术已成为化学合成、环境技术和医学等学科中非常普遍的技术[4-5]。光催化技术的应用以及该行业的发展，可以追溯到20世纪70年代，当时藤岛和本田发现了二氧化钛(TiO2)电极可以实现水裂解反应，从而开启了光催化研究的大门[6]。

TiO2作为半导体催化剂，具有量子效率低、电子-空穴对容易复合和带隙宽等缺点[7-8]。同时，光催化剂的回收再利用是限制光催化剂发展的一个重要因素，易造成第二次污染[9]。活性炭、活性氧化铝、水凝胶和聚合物复合材料等被广泛应用于水净化中的吸附剂，其中水凝胶材料被认为是最有前途的吸附剂[10-11]。大多数水凝胶具有导电性、热稳定性，使其成为应用于水净化、油水分离、仿生材料、电和电化学材料的有效溶液，其中3D水凝胶结构具有较大的比表面积，可以提供高性能的光催化作用[12-14]。此外，由于在交互的开放框架内的多重反射，它具有更有效的光捕获能力,并且3D水凝胶结构可以显著抑制光催化剂的聚集或堆积，从而暴露出更多的表面催化活性位点。为了提高水凝胶的性能，研究人员对水凝胶进行了大量的修饰，其中将无机组分加入聚合物网络中是最常用的方法，可以降低产品成本，简化制备过程。水凝胶不仅可以作为吸附剂，还可以作为催化剂固定化的基质[15-16]。

水凝胶可作为基质来固定光降解污染物，如甲基橙、亚甲基蓝、偶氮、蒽醌和四-硝基苯酚。有些水凝胶不仅可以作为固定催化剂的基质，而且还可以先吸附底物，然后充分利用吸附与催化之间的协同作用。Lucic等人采用壳聚糖水凝胶浸入TiO2悬浊液中进行光降解染料，发现增加TiO2的用量可以提高水凝胶对染料的吸附性能[17]。

本文基于上述TiO2结合水凝胶材料在光催化过程中体现出的优势，介绍了一系列TiO2基水凝胶的结构特征及合成方法。进一步地，总结了其复合物在有机物降解，水裂解析氢和灭菌三个方面的光催化应用及机理。最后，阐述了TiO2基水凝胶材料在实际应用和研究中存在的挑战及相应的解决方案。

1 TiO2基水凝胶的结构特征及合成

TiO2半导体作为光催化剂，具有高活性、高化学稳定性、低成本、无毒性、高辐射稳定性等优点，是最有前途和应用最广泛的半导体光催化剂之一[18-19]。TiO2在光催化领域的应用存在着诸多障碍，包括光生电子空穴对的快速复合和太阳能利用效率低等，这些都将限制该半导体的进一步发展[20]。将TiO2引入到一系列功能性水凝胶中制备的TiO2基水凝胶具有3D网络结构，有望推动该材料在光催化领域的进一步应用。首先，3D网状结构水凝胶具有较大的比表面积，可以表现出较强的吸附富集污染物的能力，并暴露出更多的活性位点，加速表面反应[21]。其次，3D网络结构为光生载流子传输创造了方便的通道，并且通过相互连接的开放框架内的多次反射，可以最大限度地利用入射光子[22-23]。最后，为了增加反应的相对比表面积，通常需要将光催化剂的尺寸减小到纳米级，但这不利于光催化剂的回收，而将纳米尺寸的光催化剂负载到大的3D网络体系中可以有效解决催化剂的再回收问题[24]。因此，制备具有3D网络结构的TiO2基水凝胶光催化剂不仅有利于提高纳米材料的光催化活性效率，而且还具有无需分离的特性[25-26]。目前，在功能性水凝胶中引入TiO2有两种合成策略，一种是作为填充剂，另一种是作为交联剂。

1.1 作为填充剂

对于大部分TiO2基水凝胶，TiO2以纳米粒子的形式通过掺杂的策略引入到水凝胶体系中。TiO2纳米颗粒作为填料主要被引入到石墨烯基水凝胶、聚合物基水凝胶和多组分复合水凝胶三个体系中。

1.1.1 石墨烯基水凝胶

石墨烯衍生物的凝胶化是一种很有前途的策略，可以将单个石墨烯化合物、TiO2和其他材料结合在一起，得到3D多孔结构，同时保持其独特的片状结构[27]。Zhang等人报道了一种通过水热法制备的新型多功能TiO2基石墨烯复合水凝胶(TGH)[23]。在水热反应过程中，石墨烯纳米片和TiO2纳米颗粒自组装成三维(3D)互穿网络，其中尺寸均匀的球形TiO2纳米颗粒被密集地锚定在石墨烯纳米片上(图1(a))。得到的TGH呈现出清晰且相互连接的3D多孔网络，其互连孔隙达到微米级，尺寸均匀的球形TiO2纳米颗粒密集地固定在石墨烯纳米薄片上。此外，纳米颗粒均匀地负载在石墨烯载体上，在保持其水凝胶3D多孔结构的同时，维持石墨烯本身的片状结构。

图1 不同样品的TEM图Fig.1 TEM images of different samples

然而，上述方法制备的石墨烯/TiO2水凝胶限制了TiO2颗粒的固定，且不足以暴露催化活性位点。Fan等人通过将合成的溶液转移到2×2.5 cm2(1 mm厚)的无菌模具中，并在90 ℃下保持1 h,成功地制备了具有3D多孔结构的TiO2-石墨烯水凝胶复合材料(NF-TGH)[28]。通过透射电镜进一步观察到纳米TiO2颗粒均匀的嵌入到石墨烯层的褶皱中，由于两者具有交叉多孔的网络结构，NF-TGH可以固定附加的纳米颗粒，并且比薄膜材料暴露更多的催化位点(图1(b))。

1.1.2 聚合物基水凝胶

由于不同的单体可以用于形成多种聚合物基水凝胶，因此它们具有比石墨烯基水凝胶更多的功能。TiO2纳米颗粒常被嵌入到一系列聚合物基水凝胶中以提高水凝胶的比表面积。Jiang等人合成了一种具有3D网络纳米结构的聚苯胺(PANI)水凝胶，TiO2纳米颗粒位于PANI水凝胶的3D基体上[26]。

由图2(a)可知，TiO2纳米颗粒均匀沉积在珊瑚状树枝状聚苯胺纳米纤维上，得到的聚苯胺/TiO2-10%复合水凝胶的比表面积为48.39 m2/g，均高于单独的TiO2和聚苯胺。进一步地，TiO2作为填料时，在水凝胶内能够通过氢键形成第二层分散网络以提高体系的机械性能，有利于水凝胶内部的应力损失，显著改善了水凝胶的力学性能[31-32]。此外，当TiO2纳米粒子嵌入到相同的基于聚合物的水凝胶中时，不同的方法制备的材料将展现出不同特点。Meng等人采用水热合成的方法，通过在聚丙烯酸基质中原位生长锐钛矿型TiO2纳米颗粒，制备得到了聚丙烯酸/TiO2纳米复合材料[33]。相比之下，Pardo等人通过热聚合法制备了PAA/TiO2纳米复合材料，其中偶氮二异丁腈(AIBN)用作自由基引发剂[34]。水热法合成的TiO2-PAA水凝胶粉末的表面是粗糙的，而通过自由基聚合在水溶液中合成的TiO2-PAA水凝胶粉末表面是平滑的(图2(b))。

图2 两种TiO2基复合水凝胶的SEM图Fig.2 SEM images of two TiO2-based composite hydrogels

1.1.3 多组分复合水凝胶

由于水凝胶的特殊合成方法和独特的3D网络结构，它们可以与不同的聚合物单体和某些功能分子结合形成多功能复合水凝胶，从而拓宽其应用领域，开发不同的水凝胶材料。在2018年，Cui等人通过采用杂化工艺和水浴法，成功合成了具有3D网状结构的还原氧化石墨烯-聚苯胺/TiO2复合材料(rGH-PANI/TiO2)[35]。然而，通过该策略得到的三元复合水凝胶的稳定性不够，机械性能也不够强。

为了提高交联程度和共生稳定性，在室温下以50 kGy的剂量辐射水凝胶，然后样品在离子水中浸泡48 h，冷冻干燥24 h(图3)。通过这种方法，拉伸强度和断裂伸长率得到极大优化，分别为0.94 MPa和378%，表现出良好的力学性能[36]。为了提高PVA/PAAc/TiO2复合纳米纤维的光电性能，碳纳米管(CNTs)被用作添加剂[37]，将TiO2和CNTs固定在PVA/PAA水凝胶中，其复合水凝胶作为静电纺丝纳米纤维，便于废水处理后的回收，而TiO2颗粒主要分布在纳米纤维表面，并在静电纺丝纤维中均匀分散。TiO2颗粒的均匀分散有利于暴露其更多的光催化活性位点，促进复合材料整体的光催化效率。图4显示TiO2颗粒和CNTs包埋在电纺丝纤维中，虽然有一些TiO2聚集，但它们都很好地分散在电纺丝纤维中。

图3 3D结构的光活性PAV/PANI/TiO2复合水凝胶的制备方案Fig.3 Scheme of the photoactive PAV/PANI/TiO2composite hydrogel with 3D structures

图4 PVA/PAAc/TiO2/CNTs复合纳米纤维的SEM(左)和TEM(右)图Fig.4 SEM (left) and TEM (right) micrographs of PVA/PAAc/TiO2/CNTs composite nanofibers

1.2 作为交联剂

由于TiO2具有优良的光催化性能，在水中被紫外光激发可产生羟基。基于这一特性，可以将TiO2作为交联剂引入水凝胶网络体系，赋予了TiO2基水凝胶新的性能。接下来，分别以TiO2纳米颗粒和TiO2纳米片为交联剂，全面介绍TiO2基水凝胶的结构特点和合成策略。

1.2.1 TiO2纳米粒子

TiO2纳米粒子通过机械混合和静电相互作用被水凝胶包裹[38-39]。在聚合过程中，TiO2纳米粒子可以作为交联剂使用。Garcia-Astrain等人[40]发现具有官能团的TiO2纳米粒子，使其与呋喃修饰的明胶反应，随后，该功能性纳米粒子与硫酸软骨素一起用作明胶水凝胶的交联剂。Gao等人[41]进一步在TiO2的辅助下，通过一锅原位光诱导聚合制备了一系列疏水缔合(HyA)水凝胶，TiO2纳米粒子既可以作为光引发剂，又可以作为物理交联点。添加TiO2后的TiO2基水凝胶的抗拉强度比未添加TiO2的水凝胶高30倍。同时，Yue等人[42]将TiO2纳米粒子负载在2，2，6，6-四甲基哌啶-e-1-氧基(TEMPO)氧化甲壳素纳米纤维(TOCNs)表面，并将其进一步加入聚丙烯酰胺(PAM)基质中，制备了一种新型光催化水凝胶。加入TiO2后(占水凝胶质量10%)，TiO2-TOCN-PAM10水凝胶的单轴抗压强度和抗拉强度分别提高了6.35倍和3.70倍(图5)。

图5 水凝胶的拉伸性能Fig.5 Tensile properties of hydrogels

图6 TiO2纳米颗粒的光触发催化机理示意图Fig.6 A schematic to show the related light-triggered catalyzing mechanism of the TiO2 nanoparticles

1.2.2 TiO2纳米片

最近，二维纳米片已经引起了人们的广泛关注[47-48]。受到Hargauchi等人[49]使用乙烯基单体自由基聚合制备具有超强机械韧性和纳米复合水凝胶工作的启发，且基于单层TiO2纳米片的成功制备，Liu等人[50]首先开发了光可调水凝胶，组成的聚合物网络可以容纳每个交联点的光催化钛纳米片，并且每当暴露于光下时就激活凝胶，产生羟基自由基。在此，TiO2水凝胶具有双重作用：1)从水中产生羟自由基进行逐步聚合；2)动力学交联产生的聚合链，形成3D聚合网络，将水分子包裹在其中。基于上述功能特征，交联纳米片的光催化活性使得水凝胶与其他物体共轭并异质性地结合。受这项工作的启发，Yang等人[51]使用了一个简单的一步合成路线合成了TiNs-PAAm水凝胶，其中纳米复合水凝胶的内部结构包含了非晶态聚合物和随机分布的单个三酸盐纳米颗粒，具备优异的可协调性和力学性能。

不同的纳米颗粒形态(TiO2纳米粒子，TiO2纳米片)具有不同的与单一或载体的亲和力及本身交联能力的差异性。在力学性质方面，TiO2纳米粒子可以交联更丰富的凝胶网络，以较快的速率促进自由基聚合以提高复合水凝胶的自愈合性能。在机械强度方面，由于每个TiO2纳米片的表面积较高，其特殊的拉伸形态与凝胶的相互作用较多，从而导致较低的断裂应变。

2 TiO2基水凝胶在光催化中的应用

2.1 污染物的光催化降解2.1.1 降解机理

含有有机污染物的废水直接排放到环境中，将对人体和生态系统造成极大危害[52-54]。光催化技术已被认为是太阳能转化和消除污染物最有希望的技术之一。在寻找具备优异性能的光诱导光催化剂的过程中，TiO2作为一种传统的半导体催化剂，已显示出对有机物良好的降解性能[55-57]。一般情况下，光催化降解是通过产生羟基自由基进行的，由于羟基自由基强的氧化能力，氧化电位为2.28 V(vs. NHE, pH = 7)，具体反应如下:

(1)

(2)

(3)

h++ H2O → ·OH + H+

(4)

h++ OH→ ·OH

(5)

·OH + 有机组分 → 中间体 →产物。

(6)

方程式(1)中，催化剂的价带(VB)上的电子吸收一个等于或大于带隙能量的光子，使其跃迁到导带(CB)上进而产生电子-空穴对[58-60]。方程式(2)和(3)中将溶解氧还原为超氧自由基阴离子，在导带处产生的电子形成过氧化氢。价带上的空穴通过吸附水或氢氧根离子，经过氧化作用产生羟基自由基(方程式(4)和(5))。在催化剂的表面或附近，所产生的羟基自由基降解有机化合物生成相关中间体和最终产物(方程式(6))[61]。

2.1.2 废水处理的应用

由于传统TiO2材料一般仅受紫外光激发，且粒径过小容易对水体造成二次污染，使其在光催化净水领域的应用受到了很大的限制。为了提高废水的去除效率，利用TiO2基水凝胶光催化降解有机污染物已被证明是一种有效的方法。在以往的研究中，TiO2基水凝胶已被用于光催化降解废水中的各种有毒有机污染物(表1)。

表1 使用TiO2基水凝胶光催化降解污染物的条件及性能Tab.1. Conditions and performance of photocatalytic degradation of pollutants using TiO2-based hydrogels

与其他类型的水凝胶相比，石墨烯基水凝胶可通过氧化石墨烯纳米片的自组装而简便合成[70]。石墨烯基水凝胶光催化剂表现出高效的活性，是由于其强大的吸附能力和光生载流子在石墨烯表面的快速转移[71-72]。若将TiO2包埋在石墨烯基水凝胶中，制备出具有3D网状结构的TiO2-石墨烯水凝胶(TGH)，TiO2纳米颗粒会与石墨烯形成协同效应[62]。一方面，TGH具有相互连接的开放式骨架结构和较大的比表面积，大大提高了对有机污染物的吸附能力。另一方面，在此过程中，具有较强氧化性的空穴和羟基自由基为主要活性基团，促进了有机污染物在TGH上的深部矿化。基于相同的协同效应，Zhang等人[63]制备的TiO2-rGH能使低浓度的双酚A(BPA)(20 mg/L)在5 h内被完全降解。此外，基于相同的协同机制，可以通过将TiO2NPs嵌入一个导电有机聚合物水凝胶中。基于BPA的降解，Piao等人[73]将TiO2固定在聚乙二醇二丙烯酸酯(TiO2@PEGDA)中，从图7(a)中可清楚看到，原始PEGDA水凝胶表面是非常光滑的，但当加入质量分数10%的TiO2时，其复合水凝胶的表面变得粗糙(图7(b))，为BPA进入水凝胶网络内部与活性位点结合提供了更高的比表面积。Jiang等人[26]通过苯胺单体聚合合成了具有3D网络纳米结构的聚苯胺(PANI)水凝胶，并将TiO2纳米颗粒置于PANI水凝胶的3D基体上。由于吸附富集与光催化降解发生在同一活性位点上，减小了污染物的扩散距离，实现了吸附与光催化的协同作用，从而提高了光催化反应的去除效率。基于TiO2基水凝胶对污染物吸附和光催化的协同作用，一种新型无分离的聚(N, N′-二甲基丙烯酰胺)-二氧化钛/硫化铜(PDMAA-TiO2/CuS)复合水凝胶光催化剂被应用于抗生素磺胺吡啶的降解[74]。该TiO2基水凝胶对磺胺吡啶的吸附量在前3 h迅速上升，16 h后达到吸附平衡(图8)，且其降解效率高达93.51%。

图7 两种不同的PEGDA水凝胶的SEM图Fig.7 SEM images of two different PEGDA hydrogels

图8 使用PDMAA-TiO2/CuS水凝胶在300 W可见光下对磺胺吡啶的光降解率和在黑暗下的吸附过程Fig.8 The photodegradation rate of sulfaclozine using PDMAA-TiO2/CuS hydrogel with 300 W visible light and the adsorption process under darkness

2.2 光催化析氢2.2.1 析氢机理

众所周知，氢气是目前为止最清洁的能源，光催化水裂解是获得这种清洁能源的有效方法。要实现光催化水裂解析氢，光催化剂的导带电位要比H+/H2电势负[27]。水裂解析氢的方程式如下[75]：

2H++ 2e-→ H2(g)

(7)

ΔE0=0 V vs. NHE at pH=0。

(8)

近年来，影响光催化水裂解析氢效率的重要因素包括相对比表面积、吸光能力和电荷分离能力。

2.2.2 析氢的应用

基于对具有3D网络结构的水凝胶的普遍研究和应用，我们发现，水凝胶的3D互通框架的结构有以下几点优势：1)利于液体/气体进入和扩散的理想孔隙；2)优异的电荷传递能力；3)理想的开放结构可用于与其他功能性纳米材料集成。因此，将光催化剂构建到水凝胶中，不仅可以使该光催化剂得到方便的分离与回收，而且光催化剂的引入将使整个复合材料具有更高的比表面积、孔隙率和优越的导电性[76]。这些优点将极大地促进TiO2基水凝胶在光催化析氢领域的应用。

用于光催化析氢的TiO2基水凝胶，通常以石墨烯为基质。原因可以概括为以下三点：1)石墨烯会限制TiO2光生电子-空穴对的复合；2)石墨烯基质将提供吸附和催化活性位点；3)石墨烯可缩小TiO2的禁带宽度，并在析氢反应(HER)中充当助催化剂[77]。特别地，石墨烯能够缩小TiO2禁带宽度的主要原因为：具有不成对π电子的氧化石墨烯的碳酸盐结构片段与钛原子键合在TiO2表面，这种未成对的π电子与钛原子之间的相互作用会导致石墨烯-TiO2的带边移动和带隙显著减小。Virgil等人[78]首次制备出TiO2基石墨烯水凝胶，TiO2与GO质量比为5∶1制备的TiO2基石墨烯水凝胶析氢量最高达66.5%(体积分数)。为了提高TiO2基水凝胶对太阳能的利用效率，Gao等人[24]于2013年开发了具有可见光响应的纳米复合石墨烯水凝胶(NGH)。由图9可知，将TiO2纳米棒和Au纳米颗粒掺杂到具有互联网络孔的3D石墨烯水凝胶中，光催化析氢活性显著提高(～242 μmol/h/g)。在可见光照射下，Au纳米颗粒的电子被注入到TiO2导带中，导致Au纳米颗粒产生空穴，TiO2导带中产生光激发电子，所有受激电子依次从TiO2导带转移到石墨烯活性位点上，在溶液中产生质子，生成H2[79-82]。

图9 不同样品的光催化析氢研究Fig.9 Photocatalytic H2 production studies of the various samples

上述光催化析氢均在特定的溶液中实现。而Xu等人[31]基于绿色化学原则，实现了在废水中进行光催化析氢反应，实现了一种“变废为宝”的策略。通过原位硫化，将吸附的重金属离子转化成带隙窄的金属硫化物半导体，同时与加入的TiO2@琼脂水凝胶(TiO2@Agar)形成异质结，这使得整个体系内光催化生成H2的活性得到显著提高(图10)。TiO2@Agar+CdS在可见光照射下可以明显地表现出稳定的析氢速率，而在相同条件下TiO2@Agar基本检测不到的H2的生成，这说明生成的CdS纳米颗粒将TiO2@Agar+CdS的光催化活性有效地延伸到了可见光区。此外，在全光谱AM 1.5 G光照下，TiO2@Agar+CdS与TiO2@Agar和TiO2@Agar-Cd相比，其H2产率得到了显著的提高(分别为1.5 mmol/h，0.9 mmol/h和0.6 mmol/h)，进一步证实了CdS促进了材料的光催化活性。

图10 以废水为导向的“变废为宝”策略示意图Fig.10 Schematic diagram of the wastewater-oriented “trash-to-treasure” strategy

2.3 光催化灭菌

抗菌纳米材料通常以细粉的形式分散在水中形成悬浮液来进行消毒。在可见光下，银金属掺杂的TiO2对革兰氏阳性菌(GPB)和革兰氏阴性菌(GNB)的生长均有明显的抑制作用[90]。对于这些悬浮液，最大的挑战之一是将纳米材料从处理过的水中快速分离出来，并回收重复使用[91]。在可见光和近红外光照射下，锌掺杂的TiO2薄膜的抗菌活性明显优于单独的TiO2薄膜[92]。此外，在各种抗菌材料中，抗菌水凝胶因其具有多种生物功能和广泛的适应性，在治疗细菌感染性疾病方面是一类很有前景的替代品[93]。Amit等人[94]首次在原位剥离的钛酸盐纳米片上负载银纳米颗粒，通过光催化技术可实现对硝基酚(4-NP)的快速还原、有机染料的脱色以及抑制微生物生长。为了更好地将TiO2固定到水凝胶的3D网络结构上，Zang等人制作了一种分层多孔TiO2基水凝胶纳米复合材料[95]。该双网络水凝胶的厚度约为100 nm，且呈现超疏水的性质(图11)。基于上述结构特征，该TiO2基水凝胶能够完全排斥油渍和血小板等物质(图12(a))。Wang等人[96]选择本身就具有防污性能的丙烯酰胺(AM)和丙烯酸(AA)材料来构建新型的聚丙烯酸-交联-聚丙烯酰胺/TiO2((PAA-co-PAM)/TiO2)复合水凝胶，其灭菌率达100%(图12(b))。

图11 多孔NiTi/水凝胶纳米复合材料的制备过程Fig.11 The fabrication process of the porous NiTi/hydrogels nanocomposites

图12 TiO2基水凝胶的灭菌测试Fig.12 Disinfection test of the TiO2-based hydrogel

4 总结与展望

在过去的几十年里，环境和能源危机严重威胁着我们的地球，需要更有效、更高效的解决策略。TiO2作为一种传统的半导体光催化剂，与水凝胶相结合将进一步拓展其在能源和环境领域的应用。本文综述了近年来TiO2基水凝胶光催化剂的结构特点、合成方法及其在废水净化、水裂解和灭菌等方面的研究进展。总的来说，TiO2基水凝胶具有稳定的3D多孔骨架、较高的介孔率、高的比表面积、适当的孔体积和较高的亲水性，使水分子能够穿透并与表面活性位点接触，从而提高光催化活性。然而，仍然存在一些缺点和障碍，限制了TiO2基水凝胶的大规模生产及其光催化活性。目前仍有待解决的问题及相应的解决策略可归纳为以下四个方面：

1) 迫切需要对TiO2基水凝胶的电子结构进行修饰，以提高其光吸收能力，减少光生载流子的复合，优化其光学性能和光催化性能。掺杂、插层和负载单金属或多金属有望增强TiO2基水凝胶对可见光的吸收和电荷分离，提供更多的吸附和催化位点，缩小半导体的带隙宽度；对材料缺陷态的填补可进一步提高其复合材料的光催化析氢性能和灭菌效果。

2) 这些多组分TiO2基水凝胶材料合成的反应机理和合成工艺有待进一步的研究和构建。目前，制备多组分TiO2基水凝胶主要采用水热法或光聚合法；然而，这些方法也有一些缺点，比如由于单个组分在水凝胶框架内的分散性较差，易聚合。因此，需要开发简便、快速、可靠、有效的制备多组分TiO2基水凝胶的方法。如利用小分子自组装和电子束辐射等方法，使TiO2纳米颗粒均匀分布在凝胶的3D网络基质中，更好地结合了水凝胶高选择性的吸附性能和原位光催化降解污染物的能力。

3) TiO2作为交联剂的应用还比较少，主要原因是其制备的水凝胶机械强度较弱，光催化效率较低以及表面的交联位点较少。因此，有必要开发新的合成策略或交联体系，而剥离的钛酸盐纳米片在本质上是亲水的，使它们能够在水溶液中很好地分散，并且具有高比表面积以提供足够的交联点来形成水凝胶。

4) 由于TiO2基水凝胶具有3D多孔网络结构的特点，要了解反应物和产物分子在多孔连接框架内的穿透、扩散、接触以及产生H2的过程，需要对其光催化反应机理进行进一步的探究。通过实验和理论模型的构建来设计和改进TiO2基水凝胶的光催化性能是非常重要和有趣的。从热力学和动力学的角度进行原位观察、表征和理论计算，将为利用TiO2基水凝胶进行光催化反应提供深入的外推和进一步优化。