TiO2纤维在光催化还原CO2中的应用

杨婷 张叶轲 周文龙 刘宇清

摘 要：以二氧化碳（CO2）为代表的温室气体可以利用催化剂在太阳光的作用下转化为可回收产物。TiO2化学性能稳定、毒性低且生物友好，是制备高效光催化剂的备选原料之一。本文对TiO2催化机理、主要成形工艺和相关改性处理方法进行介绍，并分析材料内部电子运动、光生电子空穴分离和光子吸收效率，探究其对以TiO2为主体的纳米纤维光催化效率的影响。通过分析对比，为TiO2纤维结构的设计和对应CO2产物的还原研究提供思路。

关键词：TiO2；纳米纤维；光催化；CO2；电子空穴对

中图分类号：TS101.8

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2023）03-0102-11

作者简介：杨婷（1999—），女，福建福州人，硕士研究生，主要从事纤维光催化还原方面的研究。

通信作者：刘宇清，Email：liuyuqing@suda.edu.cn

工业经济的快速发展使得以CO2为代表的温室气体排放速度已经超过大自然保持稳态的环境容纳量，由此产生的全球气温增长已经严重影响到物种的生存，而每年有80%的能源依赖石油资源的燃烧，因此运用现代科学技术对改变传统燃料的使用和清洁能源的开发至关重要［1］。太阳能、风力、水力和火山熱能等一直是自然界取之不尽的宝贵资源，但风力、水力和火山热能往往需要在特殊地理地势条件下才能获得，而太阳能的获取是无处不在的［2］。近年来，具有纳米纤维结构的材料由于能够使光生电子沿一维方向运动，被广泛应用于光催化材料的改性开发中［3］。通过新型纺丝技术制备纳米材料，促进光催化剂将CO2转化为甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）或甲醛（HCHO）等再次利用的资源，对于未来绿色发展具有十分重要的意义。

CO2在光催化作用下主要有以下反应路径［4-5］：

在实际制备过程中CO2还原得到的产物虽然不具有唯一性，但根据材料的种类和特性及催化条件参数的不同，其催化产物的选择性也是当前研究的重点［6］。

1 光催化机理与二氧化钛

1.1 光催化机理

光催化反应是指在外界光照条件下，具有光催化作用的材料中会发生电子的转移和空穴的生成，以产生氧化还原性能。成为光催化剂的材料，可以使界面接触的物质发生转化、降解和合成等变化［7］。在纤维的光催化过程中一般存在3个过程［8］：a）价带电子在光照射下被激发到导带中，在原位上产生空穴；b）这些电子空穴对在材料表面分离并迁移；c）待催化材料在纤维表面发生氧化还原反应。其中价带顶端到导带底端之间的能带间隙称为能隙，又可称为禁带宽度（Eg），氧化还原能力的强弱取决于导带和价带的位置，所以一定程度上禁带宽度越大，材料的氧化还原能力越强。根据式（7），

吸收光的波长（λ）范围受禁带宽度的影响，往往带隙越宽，可吸收的光谱越窄：

式中：h为普朗克常数；c为光速，m/s；Eg为半导体的禁带宽度，eV。因此针对光催化材料的反应性和光利用效率，需要综合考虑禁带宽度和吸收光波长这两个因素带来的影响。

1.2 二氧化钛

二氧化钛（TiO2）是一种化学性能稳定、毒性低、生物友好型材料，在多年研究过程中其制备方法已有较为完备的发展［4］，如气相沉积法［9］、水热法［10］和溶胶凝胶法［11］等，同时TiO2具有丰富的功能特性［12］，除了应用在抗菌［13］、传感［14］和电池配件［15］等方面，同时作为一种潜在的光电电极材料，在水解氢［16］、CO2还原和有机废水降解［17］等能源环保领域具有优良的催化效应。根据不同的制备工艺，结晶态TiO2的晶型可分为3类［18］：金红石、锐钛矿和板钛矿。

图1展示了3种TiO2的晶体结构［18］和对应光电子捕获行为［19］。从图1可以看出，金红石相和锐钛矿相的晶体结构为四方晶系，板钛矿相晶体为斜方晶系，配位多面体的共边或共面，会缩短中心阳离子间距，降低晶体结构的稳定性［20］。金红石相（共边数为2）在热力学角度上为三者中最稳定的晶相，晶型规整的八面体结构使其吸光度更甚于另外两相，也因此能够加快光生载流子之间的复合，常被应用于紫外屏蔽材料［21］；而锐钛矿相晶型则在催化材料中更为常见，从上一部分理论可知光生电子空穴对的氧化还原能力与材料的带隙宽度相关，在图1所示能带结构中，金红石相的带隙为3.0 eV，锐钛矿相的带隙为3.2 eV，锐钛矿晶相中浅层自由电子具有更小的成核尺寸和更强的激发能力，可在催化过程中能提供丰富的反应活性位点；尽管关于板钛矿晶相带隙的测定还暂无定论［22］，但从Zhang等［23］的理论焓值计算发现，板钛矿作为金红石相和锐钛矿相的中间产物，在粒径为11～35 nm时可稳定存在，低温下会减少向锐钛矿和金红石晶型的转化，因此板钛矿在纳米尺度下也具有一定的光催化潜力［24］。

TiO2在初期应用中往往以纳米颗粒形态为主，在均匀分散的环境中，减小粒径可以提高了催化材料的比表面积，实现载流子的短距离扩散［25］，相比于传统粒径材料，TiO2纳米颗粒具有更高的电子密度，其制备手段一般有水热法［26-27］、溶剂热法［28］和溶胶凝胶法［29］等，在这些工艺的制备过程中，TiO2的晶型也会随着煅烧参数的不同而变化。然而在实际测试中，微小粉末团聚、光生电子空穴快速复合和难回收等问题使得纳米颗粒的形态和结构需要得到进一步设计和分析，基于此，近年来具有一维纳米纤维结构的TiO2光催化材料备受关注。

2 二氧化钛纳米纤维光催化剂的制备方法

二氧化钛纳米纤维光催化剂通常利用水热法制备，图2示意了在不同纳米结构下载流子的运动轨迹［31，35］，说明将TiO2设计成纳米纤维结构，可达到延长光生电子反应路径的目的［32］。纳米纤维结构的构建不仅增大了材料的比表面积，在纳米尺度下设计出三维开放结构，为光线接收和气体吸附提供更多的活性位点，而且高度结晶并紧密相连的TiO2粒子有利于引导光生电子的移动和空穴的生成，在提高催化效率的同时保持了更长的稳定时间［33］。相较于纳米线，纳米纤维还具有柔性可弯曲的特点，甚至能够相互纠缠，这大大提高了光催化剂形态的稳定性和可回收性［34］。除水热法外，还可通过静电纺丝、气相生长等其他方法制备TiO2纳米纤维光催化材料。

2.1 水热法

水热法是一种可大规模制备TiO2的方法之一，在高温高压环境下，高压釜中不同的加热环境，可促使钛前驱体材料或TiO2在重结晶过程中沿一定方向生长，生成所需纳米纤维［41］。Rosales等［30］通过水热法分别制备出一维状态下TiO2的不同结构，发现纳米纤维状态下TiO2的光致发光发射光谱信号更强，具备更优越的光催化活性。Crake等［42］通过水热和热处理两个过程，使TiO2分别在氢氧化钠和乙醇溶剂中依次完成钛酸盐到锐钛矿TiO2的完全转变，并保持了较短长度的纳米纤维形态，其CO2还原效率要比一步水热的纳米纤维和纳米颗粒高出2～6倍；而Yang等［43］直接以锐钛矿颗粒为原料将水热过程分为两个阶段，得到了具有混合相的TiO2纳米纤维，其中第一阶段水热可初步将锐钛矿颗粒转化为钛酸纳米纤维，第二阶段中钛酸纳米纤维表面会再次形成锐钛矿晶壳，其含量随着水热时间的不同而变化，而芯层的钛酸在加热后可完全转化为亚稳态相TiO2，该混合相界面间的差异可以促进光生电子从皮层到芯层的移动；在水热过程中为了得到分散均匀和可控尺寸的纳米材料，研究者也会采用具有一定孔隙结构的模板，引导结晶的大小和方向，Xiong等［44］以四氯化钛为原料在介孔二氧化硅（SiO2）模板上的孔隙中生长出纳米纤维，改变SiO2膜的孔径和孔体积，将TiO2纳米纤维的直径控制在了30～200 nm之间。

此外，Fu等［21］在静电纺TiO2纳米纤维的基础上，以乙醇为溶剂结合溶剂热法，增大了晶粒的生长，两种方法的结合使得材料均匀分散，改善了晶体之间的连续接触，让光催化产生的电子有了更多迁移路径，同时TiO2经过溶剂热处理后表面干净，结晶良好，从而减少结构中晶体缺陷和杂质，改善了光生电子空穴复合的情况。

2.2 静电纺丝法

图3为静电纺丝制备TiO2纳米纤维的过程示意［36］。如图3所示，静电纺丝法中一般以高分子聚合物为纤维载体，混合了TiO2或其前驱体共同纺丝，再经煅烧去除高聚物成分，实现纯TiO2纳米纤维结构的形成。Xu等［37］采用聚乙烯及吡咯烷酮（PVP）载体与钛酸四丁酯（TBT）混合静电纺丝成前驱体，后经过2 h、550℃的高温煅烧得到纳米纤维状TiO2，并引入带隙较窄的硫铟铜（CuInS2），这不仅增强了TiO2的光吸收强度，还与CuInS2形成了Z型异质结从而显著促进光生电子的分离和提取。Xu等［38］则通过静电纺丝和浸渍手段将银（Ag）和氧化镁（MgO）粒子整理进TiO2，发现Ag和MgO的掺入上可抑制TiO2在热环境下从锐钛矿相向金红石相的转变，但不会影响TiO2纳米纤维的形态。

此外，在静电纺丝的基础上，Kang等［39］制备出具有同轴结构的复合TiO2纳米纤维，纺丝过程中负电压的施加，诱导了氧化石墨烯和银纳米粒子在皮层的集中，热解后芯层的TiO2依然较好地被包裹，即使在17 h的作用后也不存在形态的变化。同样，Xu等［40］又研究了石墨烯与TiO2纤维组合产生的光催化效应，由于TiO2和石墨烯在水中分散时能表现出相反电势，因此两者在混合搅拌的过程中发生了静电自组装，石墨烯优越的导热性使得组装后的TiO2纤维在煅烧后不仅与石墨烯相连，还表现出了多孔结构。

2.3 气相生长法

与在液态环境中反应的水热法不同，气相生长法的原理是将钛前驱体在反应釜中挥发，后遇水汽立刻水解，生长出具有纳米纤维尺寸TiO2，这个方法相比静电纺丝和水热法能生成更小直径的纤维结构。柯银环等［45］为制备尺寸更小的TiO2纳米线，采用气相生长法以介孔SiO2为模板制备了掺氮TiO2纳米纤维，其形态在SiO2表面呈放射状，分散均匀致密，相比于直径在100～400 nm范围的电纺纤维，气相生长出的纤维直径可达8～10 nm，但球形SiO2的直径仍在3～5 μm；随后该课题组的谈恒等［46］以类似的制备工艺生长出铜掺杂的TiO2纳米纤维，同样制备出直径相似的小尺寸纤维，根据数据得到该工艺下TiO2在小CO2气体通量条件中具有更高的甲醇（CH3OH）转化效率，但由于掺杂物质的不同，铜比氮更有助于TiO2在光催化中发挥强氧化还原性能。

而文曼等［47］选择在掺有氧化铜（CuO）的SiO2气凝胶上生长出所需TiO2纳米纤维，为了实现无牺牲剂对光催化的作用，在气凝胶和TiO2上均负载了CuO粒子，尽管气凝胶结构有利于TiO2的分散，但材料中CuO的过载或影响了TiO2表面活性位点的作用，导致其CH3OH产率不及谈恒等［46］报道的结果好。

2.4 其他方法

除了上述广泛应用的纳米纤维制备手段以外，2019年Camarillo等［48］将反应条件温和的超临界CO2流体引入TiO2纳米纤维的制备，取代传统的水热合成，利用CO2流体对含TiO2凝胶在超临界环境中处理24 h，再经煅烧得到目标纤维产物，尽管铜的引入明显提高了CO2的转化，其产物为CO（主要产物）和CH4，但值得注意的是，在超临界合成过程，相比合成压力，温度的变化更有利于光催化效率的提高。阳极氧化法一般被用于制备纳米管，而Lim等［49］利用高压条件使生成的TiO2纳米管结构两端发生分裂，也能够形成长达几微米的钛纳米线，该结构在退火后也不会发生明显的形态变化；在生物材料领域中Tavangar等［50］提出一种激光烧蚀技术，在环境条件下使用飛秒激光，在钛基板上产生连续的蒸汽流，增加了原子核的形成密度，大量的原子核有利于纳米颗粒的生长，然后纳米颗粒之间接触并聚焦形成交织的TiO2纳米纤维结构。但目前阳极氧化法和激光烧蚀法对于得到的TiO2纳米纤维的形态控制和材料处理较难，因此这两种方法在CO2还原领域的研究较少。

3 二氧化钛纳米纤维的改性处理

带隙越大，一定程度上催化的氧化还原能力越强，但吸收波长更小，对于太阳光的利用效率更低［51］。即使TiO2作为潜在的光催化材料，也需要和其他物质协同作用，因此在TiO2纳米纤维上复合或掺杂整理（异质结）可以在保证催化效率的同时，减小带隙宽度，提高光子吸收率。所谓异质结是指两种或两种以上不同材料紧密接触时，由于带能级的不同导致光生载流子在接触界面新的轨迹运动，减弱了电子空穴对的复合［31］，是当前提高TiO2纳米纤维光催化效率的有效手段之一。

3.1 金属掺杂

贵金属因其稳定的物化性质，在一般反应条件下都能保持稳定较好的催化活性，如金（Au）和铂（Pt），而且优异的导电性能降低了光生电子在材料中的传输阻力，近年来更因其在纳米结构下表现出的等离子共振效应（SPR）广受研究［52］。SPR可以通过生成肖特基势垒增强电子空穴的分离，光照下其表面电子的共振可以生产高能电子，这减少了反应活化势垒，促进了多电子反应途径，同时还能扩大光响应范围吸收可见光［53］。Zhang等［54］研究了Au和Pt纳米粒子对TiO2纳米纤维还原CO2的光催化效率［54］，如图4所示，在CO2的还原过程中，Pt与TiO2之间的电汇效应（electro-sink effect）产生了丰富的活性位点，可暂缓Au颗粒表面局部共振的光生电子的重组，该效应发生在具有不同费米能级的半导体TiO2和贵金属Au之间的充分接触［55］，电子汇位点使电子向功函数高的TiO2的定向转移和积累，与SPR的协同作用使TiO2纳米纤维主要的还原产物从CO变成CH4，更进一步增强了催化剂近1.5倍的还原效率。关于贵金属负载的TiO2在光催化CO2行为中各阶段产物生成的进一步表征可以参考Compagnoni等［56］的成果。

过渡金属阳离子中的d轨道在化学反应中可以提供电子空位，具有较好的氧化还原性，同时这类金属材料催化性能活泼，成本低，是目前催化剂改性研究的主要对象［57］。在谈恒等［46］的研究中有提到金属铜（Cu）在光催化中是一种较好的掺杂材料，该工作将TiO2纳米纤维浸渍于氯化铜溶液中，并用氢氧化钠（NaOH）和硼氢化钠（NaBH4）的混合溶液还原，500℃下煅烧4 h后得到负载CuO的TiO2异质结催化剂，除了有利于增加电子流动路径外，在荧光光谱图中观察到，CuO掺杂TiO2和P25的荧光强度均有下降，如图5所示，这是因为CuO还具有比TiO2更窄的禁带宽度（1.7 eV），扩大了光子吸收范围［46］，可以提高催化剂对可见光的吸收。近年来具有二维纳米结构的过渡金属钼（Mo）化合物受到诸多关注，其边缘的不饱和原子充当活性位点，可增强材料的光催化效应，Kang等［32］就在静电纺丝得到的TiO2纳米纤维中掺杂了二硫化钼（MoS2）和石墨氮化碳，三组份之间的快速电子传递和活性位点的连接，在光照下形成动态平衡的内部电场，使该体系得到有机结合，在CO2的催化中表现出较强的氧化还原性能。而之后课题组再次在TiO2纳米纤维中引入硒化钼（MoSe2）纳米片［58］，制备出具有高疏水性能的光催化剂来提高CO2的吸附点。

除了上述常见金属外，如图6所示，稀土（RE）金属在修饰半导体材料的光电学效应上的应用也常有关注［59，62］。由于离子尺寸的不同，RE金属掺杂剂有可能参与到TiO2的晶格结构中以电子陷阱存在，引导电子空穴对的分离，或在表面积累形成氧化层，以紧密的化学键来促进离子扩散［12］。Peng等［60］就采用溶胶凝胶法制备钐（Sm）掺杂的TiO2催化剂，XPS试验结构检测到Sm 3D态的成功掺杂，其空轨道可以捕捉光生电子，形成不稳定的Sm2+并与O2反应表现出电子被捕获和转移的行为，随后的PL光谱强度的减弱也验证了电子空穴对复合效率的降低；镧（La）是应用于TiO2纳米催化剂最广泛的稀土元素，因其较大的离子半径难以进入TiO2晶格内部，而是在催化剂表面形成氧化层，在La和Ti之间形成类似La—O—Ti的连接键，这在Chen等［61］的研究中也得到体现，在La掺杂下，La—O—Ti化学键的存在被XPS证实，从而产生了可以作为电子捕获中心的氧空位，在促进催化效率的同时还可减少光吸收的带隙。

3.2 非金属掺杂

非金属的掺杂可以在TiO2纳米纤维的带隙内引入额外的能级，有助于增大光吸收波长，从而参与光催化下电子空穴对的产生［63］。大多数研究者们多选择用碳纤维或石墨烯以改善TiO2的光催化效应，如Wang等［27］给出了较为生动的解释，由于TiO2导带（-4.21 eV）的工作函数小于石墨烯（4.42 eV），能够进行从TiO2到石墨烯的热力学电子传输，此时TiO2作为电子的生成区，石墨烯成为消耗区，当吸附在石墨烯上的CO2在光生电子的还原下完全催化了成CH4，在这个电子转移的过程中大大降低了光生电子空穴的复合。同理，碳纤维与TiO2之间也存在类似电子运动，但关于碳纤维和TiO2的复合也存在一个适当的最佳比例，Zhang等［26］提到具有核壳结构的TiO2/碳纤维的催化活性可达纯TiO2的2.3倍，这一提升不仅是在复合材料之间电子迁移的结果，黑色的碳纳米纤维也能促进材料对光的吸收，将光能转化为热能，进一步加快反应物和产物的扩散，但还要考虑过量碳纤维会引起遮光屏蔽效应，阻碍TiO2的光吸收，因此该文章中通过实验将碳纤维的质量分数控制在总体质量约30%，以实现CO2最佳光催化效能。

除了碳元素以外，氮（N）和硫（S）也常用于TiO2催化剂的掺杂。董元等［64］将TiO2纳米纤维置于氨气氛围中煅烧实现N元素的掺杂，较为明显地提高了材料对于太阳光的相应范围，但未对其催化效果做表征，因此关于TiO2納米纤维的此类改性在CO2的还原应用中还较少；类似地，张兆国等［4］为了进一步测试N对TiO2催化改性的作用，以氨水和水合肼作为N源制备不同N含量的TiO2纳米棒，相比于本征TiO2，N的掺杂能取代TiO2晶体结构中的氧原子，使之产生一定间隙，可用于捕获光生电子和空穴，此外分子中含N基团的生成使TiO2的亲水性增加，这有利于光催化效率的提高，不同N源的加入还可以扩大光催化剂对光子的吸收范围。其最终催化产物以CH4和CO为主。含S基团的存在与CO2之间产生较强的酸碱作用，可提高催化剂对CO2的吸附性能［65］。同样Olowoyo等［66］通过球磨法在TiO2上负载S元素，其研究得出S元素更易以S4+粒子形式被掺杂，与N原子类似，取代了TiO2晶格中的部分离子，达到催化剂改性的目的，而且其催化产物除CH4外，对丙烯的催化效率要明显优于TiO2本身。

为比较不同制备手段下TiO2纤维对于CO2还原的光催化作用，相关结果见表1，从表1中可以看出以下特点：a）相比于纳米颗粒，以TiO2为主体的纳米纤维结构在光催化过程中能发挥出更高的效率；b）人们虽然更趋向于采用工艺简单的静电纺丝技术制备形态优异的TiO2纳米纤维光催化剂，来探究气体与催化剂表面的反应机理，但由于水热法和气相生长法得到的更小尺寸TiO2纳米纤维比表面积大，能吸附更多的CO2并转为目标产物，性能更好；c）在改性处理中，TiO2纳米纤维若复合了Cu、Ag和Mg等亲水性金属，则还原产物中CH4居多，而疏水性物质（如Mo和非边缘位置石墨烯）的参与，其催化剂多使CO2转化为CO，因此研究中疏水性能的引入或有助于碳还原产物的分析；d）在当前光催化还原CO2测试中，不同课题组之间采用的反应条件和测试方法大不相同，其催化效率在比较时难以等量齐观，这对研究者在寻找新材料组合时会造成一定的难度，因此有待为碳还原测试建立一个统一体系。

4 总结与展望

综上所述，具有纳米纤维结构的TiO2在还原CO2中的光催化作用已得到较为广泛的研究，其催化机理的分析常围绕TiO2晶型的转变、光生电子移动的速率和各种粒子的运动效应展开讨论。关于TiO2纳米纤维的制备方法常见有静电纺丝法、水热法和气相沉积法，其中静电纺丝过程的工艺参数更易于操控，同时也适合多组分元素与TiO2的混合，而水热法和气相沉积法往往需要一定的结构缺陷，才能生长较稳定的纳米纤维结构，但这两种方法可以在纳米尺度上做到更精细的调控，在现有研究中相比于TiO2纳米颗粒与各元素之间丰富的复合成果，针对TiO2纳米纤维基光催化剂改性的文章较少，基于对TiO2颗粒材料特性的研究，进一步在静电纺丝的基础上结合水热或气相沉积的过程，可以将多元素更精细地设计在TiO2纳米纤维基光催化材料的微观结构上，利用材料和结构来增强对CO2的光还原效率；在光还原过程中，气体往往与分散在液体介质中的光催化剂接触后迅速逸出，使得高纯度CO2气体的利用率较低，而这个问题可以根据光催化剂的亲/疏水性能来调控氢元素和CO2在还原过程中的反应比例，还可以借助纳米纤维中连续缠结的网络结构，来延长CO2的吸附时间，且多孔结构还可增加入射光的传输路径， 但较少人研究纳米纤维的柔性和集成性与CO2光还原效率之间的关系，对气体和催化剂接触路线的优化或将进一步实现高效催化。

目前TiO2纤维在碳还原方面仍处于理论试验阶段，只能小规模处理CO2气体，而且对于还原产物的进一步回收应用的研究少之又少。面对能源开发和环境保护失衡的情况，除了集中材料本身，提高光催化剂的工作效率以外，如何综合设计出真正能用到废气处理环节中的转化结构，也仍然是研究者们需要解决的问题之一。

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Abstract： Titanium dioxide （TiO2） is an important inorganic material with stable chemical properties， low toxicity and biocompatibility. In particular， its photochemical properties have played a good catalytic effect in hydrogen evolution， wastewater degradation and waste gas treatment. In recent years， with the increase of carbon emissions， the application of TiO2-based photocatalytic materials in CO2 reduction has been widely studied. Compared with nanoparticles， TiO2 materials with nanofiber structure stand out due to their efficient photogenerated electron-hole separation behavior and excellent catalytic stability. Therefore， the exploration of the forming process and material compounding of TiO2 is constantly advancing its carbon reduction efficiency to the expected industrial application.

TiO2 can be designed as a nanofiber structure， which extends the reaction path of photogenerated electrons by virtue of its closely connected interworking structure， so as to improve the rapid recombination of electron holes in nanoparticles. Hydrothermal method is a common method to prepare nanofibers from inorganic metals， and TiO2 nanofibers with different crystal forms and special structures can be produced by adjusting the heating time and temperature during the reaction. Electric field can stretch the spinning solution fluid in the electrospinning method. TiO2 nanofibers can be prepared with larger length with the help of easily removed polymer spinning carrier. Likewise， different catalytic aids can be doped in the TiO2 structure. Nanofibers with smaller diameter can be grown on mesoporous carriers by vapor phase growth method， and the catalyst is uniformly dispersed. In addition， supercritical synthesis， anodic oxidation and laser ablation can be used to prepare TiO2 nanofibers.

The wide band gap of TiO2 makes it have a short absorption wavelength， which makes it difficult to use sunlight efficiently. In order to further improve the photocatalytic performance， compounding or doping on TiO2 nanofibers （heterojunction） can reduce the band gap width and improve the photon absorption rate while ensuring the catalytic efficiency. Common metal doping materials include gold， platinum， copper， etc.， and the doping of non-metallic elements such as carbon， nitrogen and sulfur also helps to increase the light absorption wavelength of TiO2.

In summary， the photocatalytic effect of TiO2 with nanofiber structure in CO2 reduction has been widely studied. The analysis of its catalytic mechanism often focuses on the transformation of TiO2 crystal form， the rate of photogenerated electron movement and the movement effect of various particles. However， the application of TiO2 nanofibers in carbon reduction is still in the laboratory stage. How to comprehensively design a structure to use in the industrialized waste gas treatment process is still one of the problems that researchers need to solve. At present， the widely used electrospinning technology can design multiple elements into the microstructure of TiO2-based photocatalytic materials. Combined with the flexibility and integration of nanofibers， the catalytic efficiency of CO2 reduction can be further improved from both material and structure.

Keywords： TiO2; nanofiber; photocatalysis; CO2; electron hole pairs