纳米催化剂的形貌控制：从原子排列到宏观性能的精妙舞步

发表于2025-07-26|更新于2025-07-26|计算机科学

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你好，各位技术爱好者和科学探索者！我是 qmwneb946，一名热爱技术与数学的博主。今天，我们将深入探讨一个既基础又前沿、既微观又宏大的领域——纳米催化剂的形貌控制。这不仅仅是一项精密的化学艺术，更是揭示物质本性、驱动未来能源与材料革命的关键所在。

在我们的日常生活中，催化剂无处不在，从汽车尾气净化到制药工业，再到新能源的开发。而当催化剂的尺寸缩小到纳米级别时，它们会展现出令人惊叹的独特性能。更进一步，如果我们能精确地控制这些纳米粒子的“形状”，也就是它们的形貌，我们就能像雕塑家一样，赋予它们特定的活性、选择性与稳定性。这正是纳米催化剂形貌控制的魅力所在。

本篇文章将带你穿越纳米世界的帷幕，从最基本的催化原理出发，逐步深入到形貌如何影响催化性能的微观机制，再到五花八门的形貌控制合成策略，以及如何用尖端技术“看清”这些纳米杰作。最后，我们将通过具体的应用案例，展望这一领域未来的无限可能。准备好了吗？让我们开始这场关于原子排列与宏观性能的精妙舞步吧！

纳米催化：小尺寸，大能量

什么是催化剂？

在化学反应中，催化剂是一种能够改变反应速率，而自身在反应前后化学性质和质量保持不变的物质。它们通过降低反应的活化能，为反应提供新的途径。用通俗的话说，催化剂就像是化学反应的“媒人”或“加速器”，让原本难以进行或进行缓慢的反应变得容易和快速。

为什么选择纳米级别？

当催化剂的尺寸减小到纳米尺度（1-100纳米）时，会发生一些奇妙的事情：

极高的比表面积： 纳米粒子具有远超块体材料的比表面积。这意味着更多的原子暴露在表面，可作为活性位点参与催化反应。活性位点数量的增加直接提升了催化效率。
量子尺寸效应： 当粒子尺寸与电子的德布罗意波长相当时，材料的电子结构会发生显著变化，形成离散的能级。这会导致其光学、电学和磁学性质与块体材料截然不同。在催化中，这意味着催化剂的电子性质（如费米能级、d带中心）可以被精细调控，进而影响反应物在表面的吸附强度和活化能。
表面原子配位不饱和性： 纳米粒子表面存在更多配位不饱和的原子，这些原子通常具有更高的活性，是重要的催化活性位点。
易于改性与复合： 纳米粒子可以与多种材料（如载体、其他纳米粒子）复合，形成多功能催化体系，进一步优化性能。

这些独特的性质使得纳米催化剂在提升反应效率、降低能耗、实现高选择性转化方面展现出巨大潜力，成为现代工业和科研的焦点。

形貌：纳米催化剂的“身份证”

何为纳米催化剂的形貌？

纳米催化剂的形貌（Morphology）指的是其宏观几何形状，如立方体、八面体、四面体、球体、线材、片材等。更精确地讲，它还涉及到晶体的暴露晶面（crystal facets）以及缺陷、边缘和拐角等特征。

为什么形貌对催化如此重要？

纳米粒子的形貌控制并非仅仅是追求美观，它是实现催化性能优化的核心策略。不同形貌的纳米粒子，即使由相同的元素组成，也可能表现出截然不同的催化活性、选择性和稳定性。这背后的原因主要有以下几点：

1. 晶面效应：催化活性的“基因决定”

晶面效应是形貌控制的核心。晶体学告诉我们，晶体是由原子周期性排列形成的。不同晶面上的原子排列方式、原子间距、配位数以及电子密度分布都有所不同。以面心立方（FCC）金属为例，常见的晶面有(100)、(110)和(111)。

(111) 晶面： 通常具有最紧密的原子堆积，原子配位数高，表面平坦。
(100) 晶面： 原子密度相对较低，可能存在一些“坑洼”或“台阶”，原子配位数略低。
(110) 晶面： 通常是最不稳定的晶面，原子排列疏松，表面原子配位数最低。

这些微观差异直接影响反应物在表面的吸附行为、活化与转化途径。例如，在某些反应中，特定的晶面（如Pt的(111)面对于ORR反应）能提供最佳的吸附能，从而实现更优的催化活性和选择性。

2. 表面能与Wulff构造：形状的内在驱动力

任何晶体在热力学平衡状态下，其形貌都倾向于使其总表面能最小化。表面能 ( $\gamma$ ) 是指将固体表面积增加一个单位所需的能量。不同晶面的表面能是不同的。Wulff构造提供了一种理论模型，用于预测在给定条件下晶体的平衡形貌。

Wulff定理表述为：对于一个处于平衡状态的晶体，其从中心到各个晶面距离 $h_i$ 与相应晶面的表面能 $\gamma_i$ 成正比，即：

$h_i = c \cdot \gamma_i$

其中 $c$ 是一个常数。

这意味着，具有较高表面能的晶面倾向于收缩或消失，而具有较低表面能的晶面则倾向于扩展，从而形成具有最低总表面能的形貌。例如，如果某些晶面具有较低的表面能，它们就会在纳米粒子表面占据主导地位。通过选择性地稳定或钝化高表面能晶面，我们可以引导晶体生长，使其暴露我们想要的晶面。

3. 电子结构调制：微观世界的“开关”

纳米粒子的形貌不仅影响表面原子的排列，还对其整体电子结构产生深远影响。例如，通过改变纳米粒子的大小和形状，可以调节其费米能级、d带中心、能带间隙等电子参数。这些电子参数的变化直接关联到催化剂与反应物分子之间的电子相互作用强度，从而影响吸附能、活化能以及反应路径。形貌控制为我们提供了一个“调控开关”，可以精确地调节催化剂的电子性质，以适应特定的催化反应需求。

4. 稳定性与抗烧结能力：催化剂的“寿命”

在高温或反应条件下，纳米催化剂容易发生烧结（Sintering），即小颗粒聚集成长颗粒，导致比表面积下降和活性降低。特定形貌的纳米粒子，特别是那些具有高密度原子排列或受保护的晶面，可能表现出更好的热稳定性和抗烧结能力。例如，具有特定晶面的纳米颗粒在特定载体上的锚定可能更牢固，从而抑制其在高温下的迁移和聚结。

5. 传质与分离：效率的“瓶颈突破”

对于某些反应，特别是多相催化，反应物和产物的传质效率至关重要。具有开放骨架、多孔结构或高长径比（如纳米线、纳米片）的纳米催化剂可以提供更短的扩散路径和更高的传质效率，从而突破传质限制，提升整体反应速率。

总之，纳米催化剂的形貌控制不仅仅是“造个好看的粒子”，更是“雕刻”出具有特定原子排列、电子结构和表面性质的活性位点，从而实现对催化反应的精确调控。

纳米催化剂的常见形貌及其特性

纳米世界的形貌可谓千变万化，每一种形状都蕴含着独特的催化潜力。

0维纳米结构（纳米颗粒）

纳米球： 最常见的形貌，通常由多种晶面（如Pt球体可能暴露(111), (100)等）混合组成，表面能最小。易于制备，但对特定晶面的控制不精确。
纳米立方体： 典型地暴露(100)晶面。例如，Pt纳米立方体在燃料电池氧还原反应（ORR）中表现出优异活性。
纳米八面体： 典型地暴露(111)晶面。Pd纳米八面体在某些选择性加氢反应中展现出高选择性。
纳米四面体： 暴露(111)晶面。
纳米菱形十二面体： 暴露(110)晶面。
这些多面体结构是形貌控制的经典案例，通过精确调控合成条件，使其在热力学或动力学上偏向于形成特定晶面主导的结构。

1维纳米结构（纳米线、纳米棒、纳米管）

纳米线/纳米棒： 具有高长径比，一维生长。例如，Pt纳米线在ORR中能提供更长的电子传输路径和更高的本征活性。碳纳米管、金属纳米管等也属于此类。
纳米带： 宽度比厚度大很多的一维结构。
这些结构通常具有各向异性生长特性，有利于暴露边缘和末端原子，这些位置通常具有更高的活性。

2维纳米结构（纳米片、纳米花）

纳米片/纳米盘： 具有大比表面积，厚度在纳米尺度，但横向尺寸较大。例如，石墨烯、MoS $_2$ 纳米片、金属纳米片等。它们可以提供极大的活性表面积和快速的传质通道。
纳米花： 由多个纳米片或纳米棒自组装形成的花状结构，具有多级结构和高比表面积。
2D材料因其独特的电子结构和超薄的厚度，在催化中展现出卓越性能，尤其是在光催化和电催化领域。

3维复杂/分级结构

纳米星/纳米枝晶： 具有尖锐的边缘和拐角，这些区域具有高密度配位不饱和原子，是潜在的超活性位点。例如，多枝Pt纳米星。
中空结构/笼状结构： 具有内部空腔，可以提高活性位点的可及性，并可能提供限域效应。
多孔结构： 拥有相互连通的孔道，显著提升比表面积和传质效率。
这些复杂形貌通过巧妙的自组装或多步合成实现，旨在进一步提升活性位点的暴露程度、优化传质过程，甚至实现多功能集成。

每种形貌的纳米粒子都有其独特的优点和挑战，选择何种形貌取决于具体的催化反应和目标性能。形貌控制的艺术，正是在于对这些“微观雕塑”的精准塑造。

纳米催化剂的形貌控制策略：精雕细琢的艺术

实现纳米催化剂的形貌控制，核心在于精确调控纳米晶体的生长过程。这通常涉及对热力学和动力学因素的协同控制。具体来说，我们可以通过选择合适的合成方法、前驱体、还原剂、表面活性剂/配体，以及调控反应温度、pH值、反应时间等参数来实现。

一、湿化学合成方法：主流且灵活

湿化学方法因其操作简便、成本相对较低和易于大规模生产等优点，是制备形貌可控纳米催化剂的主流手段。

1. 晶种介导生长法 (Seed-Mediated Growth)

原理： 先制备出小尺寸、形貌相对均一的纳米晶种，然后将晶种引入含有金属前驱体和还原剂的生长溶液中。晶种作为生长的核心，引导后续的原子沉积，从而在晶种表面各向异性地生长出目标形貌。
优势： 可以精确控制最终产物的尺寸和形貌，并减少新晶核的形成，避免了多分散性。
示例： 通过Au纳米棒晶种介导生长法，可以制备出不同长径比的Au纳米棒，广泛应用于SPR和催化。

2. 表面活性剂/配体辅助合成法

这是最常用且有效的形貌控制策略之一。

原理： 引入特定的表面活性剂（Surfactants）或配体（Ligands）吸附在纳米晶体的特定晶面上。这些分子对不同晶面的吸附强度不同：
- 抑制生长： 如果表面活性剂优先吸附在高表面能的晶面上，它会降低这些晶面的生长速率，甚至完全钝化它们，从而使具有低表面能的晶面得以优先暴露并生长。
- 各向异性生长： 通过在不同晶面上产生不同的生长速率，最终导致形成非球形（各向异性）的纳米结构，如纳米线、纳米立方体等。
常见表面活性剂/配体：
- 聚乙烯吡咯烷酮 (PVP)： 常用作铂（Pt）、钯（Pd）等贵金属纳米晶的形貌控制剂。PVP的羰基氧原子可以与金属表面原子形成配位键，特别是在高指数晶面（如Pt的(100)面）上吸附更强，从而抑制其生长，促进(111)晶面的生长，形成纳米立方体。
- 十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB)： 阳离子表面活性剂，常用于制备Au纳米棒、Pd纳米八面体等。CTAB分子通过静电作用和范德华力吸附在特定晶面上，对Au的(110)和(111)面有较强的吸附能力，促进一维生长。
- 油酸/油胺 (Oleic Acid/Oleylamine)： 常用作半导体纳米晶（如CdSe量子点、PbS等）和过渡金属氧化物（如Fe $_3$ O $_4$ ）的形貌控制剂和稳定剂，通过与金属离子的配位作用实现形貌控制。
- 柠檬酸/柠檬酸钠： 常用作金、银纳米粒子的还原剂和稳定剂，通过羧基与金属离子配位，控制形核与生长。

3. 模板辅助合成法

原理： 利用预先制备的具有特定孔道结构或形貌的模板（Hard Template 或 Soft Template）来限制纳米粒子的生长方向和最终形貌。
硬模板： 如阳极氧化铝（AAO）膜、多孔硅、介孔二氧化硅等。纳米前驱体在模板的孔道中生长，形成与孔道形状匹配的纳米线、纳米管或纳米点阵。随后，模板可以通过化学溶解或煅烧去除。
软模板： 如胶束、聚合物、生物分子等。这些模板在溶液中自组装形成有序结构，纳米粒子在前驱体和模板的相互作用下，在这些结构内部或表面生长。例如，嵌段共聚物可以形成多种微相分离结构，作为纳米晶生长的纳米反应器。

4. 多元醇法 (Polyol Method)

原理： 以多元醇（如乙二醇、二甘醇、三甘醇等）作为溶剂、还原剂和稳定剂。在加热条件下，多元醇能够将金属盐还原为金属纳米粒子。通过控制加热速率、反应时间、多元醇种类以及添加少量表面活性剂，可以调控纳米粒子的形貌。
优势： 适用于多种金属（如Pt, Pd, Au, Ag, Rh）及其合金的制备，通常能得到结晶度较高的纳米粒子。

5. 水热/溶剂热法 (Hydrothermal/Solvothermal Synthesis)

原理： 在高压釜中，利用高温高压条件下的水（水热法）或非水溶剂（溶剂热法）作为反应介质。在极端条件下，反应物溶解度、扩散速率和晶体生长动力学发生改变，有利于形成独特形貌的纳米结构。
优势： 可以制备出许多在常压下难以合成的晶相和形貌，例如氧化物、硫化物、金属有机骨架（MOFs）等。通过调整温度、压力、溶剂组成和添加剂，可以精细控制产物的形貌。

二、气相合成方法：精密薄膜与颗粒

气相合成主要用于在基底上制备催化剂薄膜或纳米颗粒，对形貌的控制通常体现在晶体取向和薄膜的致密度上。

1. 化学气相沉积 (CVD)

原理： 将反应物以气相形式引入反应器，在加热的基底表面发生化学反应并沉积形成固体薄膜或纳米结构。
形貌控制： 通过控制反应温度、压强、前驱体流量和种类，可以影响晶核的形成和生长模式，从而控制沉积层的晶体取向、形貌（如纳米线、纳米管、薄膜）和微观结构。例如，碳纳米管和石墨烯的CVD制备中，催化剂粒子的形貌和尺寸对其生长有着决定性影响。

2. 原子层沉积 (ALD)

原理： 是一种特殊的CVD技术，通过交替引入两种或多种气态前驱体，在基底表面进行自限制的表面反应，实现原子层级别的精确薄膜生长。
形貌控制： ALD能够实现极高的膜厚控制精度和优异的共形性。虽然它主要用于制备均匀薄膜，但也可以用于在预制纳米结构表面进行包覆或填充，从而间接修饰其形貌和表面性质，或作为原子级分散催化剂的制备方法。

三、其他高级/新兴形貌控制技术

1. 电化学沉积法 (Electrochemical Deposition)

原理： 通过控制电解液的组成、电位、电流密度和温度，在导电基底上电沉积形成金属或金属氧化物纳米结构。
形貌控制： 调节电化学参数可以显著影响纳米晶的形核和生长过程，从而实现对纳米线、纳米片、树枝状结构等形貌的精确控制。

2. 自组装 (Self-Assembly)

原理： 纳米粒子在特定条件下（如溶剂蒸发、pH变化、界面效应）通过非共价相互作用（如范德华力、氢键、静电作用）自发地组装成有序的宏观结构。
形貌控制： 虽然不是直接控制单个纳米粒子的形貌，但自组装可以构建出具有多级结构、特定孔道或阵列排列的催化剂体系，这些宏观形貌对传质和催化性能至关重要。

3. 机器学习与人工智能 (Machine Learning/AI)

原理： 这是一个新兴且充满潜力的方向。通过收集大量的纳米材料合成实验数据（包括前驱体、温度、时间、形貌控制剂等参数与最终形貌/性能的关系），利用机器学习算法构建预测模型。
优势： 可以加速探索新型形貌控制策略，优化合成条件，甚至逆向设计，根据所需的形貌和性能来推荐合成路径，大大缩短研发周期，降低试错成本。虽然目前仍处于起步阶段，但其前景广阔。

形貌控制的合成方法并非孤立存在，很多时候会是多种策略的结合运用。例如，在晶种介导生长中加入表面活性剂，或在水热合成后进行后续处理以诱导形貌转变。这种多维度、多策略的结合，正是纳米化学的魅力所在。

纳米催化剂的形貌表征：揭开神秘面纱

一旦我们合成了这些精美的纳米催化剂，如何才能“看清”它们的形貌，并分析其结构和组成呢？这就需要一系列先进的表征技术。

一、形貌和尺寸表征

1. 透射电子显微镜 (TEM) 和高分辨透射电子显微镜 (HRTEM)

原理： 电子束穿透样品，根据电子与样品相互作用的差异形成图像。TEM可以提供纳米粒子的二维投影图像，揭示其整体形貌（如球形、立方、八面体、线状、片状等）、尺寸分布和分散状态。HRTEM则能进一步分辨原子尺度上的晶格条纹，从而观察暴露晶面、晶格缺陷、双晶、位错等微观结构，是直接观察形貌控制效果的核心手段。
应用： 确认纳米粒子是否为目标形貌，测量粒子尺寸，观察晶面排列。

2. 扫描电子显微镜 (SEM)

原理： 电子束扫描样品表面，激发样品产生二次电子、背散射电子等信号，从而形成图像。SEM能够提供样品表面的三维形貌信息，景深大，分辨率低于TEM，但可以观察到更大区域和更复杂的样品表面结构。
应用： 观察纳米颗粒的宏观分布、团聚情况，以及载体表面的形貌。

3. 原子力显微镜 (AFM)

原理： 利用一个微小的探针（针尖）扫描样品表面，通过针尖与样品表面原子之间的相互作用力（原子力）来绘制表面形貌图。
应用： 提供纳米粒子在基底上的高度信息，可以精确测量单层纳米片或超薄薄膜的厚度，以及表面粗糙度。

二、晶体结构和组成表征

1. X射线衍射 (XRD)

原理： X射线照射样品时，与晶体中的原子发生衍射，根据衍射峰的位置、强度和宽度，可以确定晶体的晶相、晶体结构（如FCC、BCC、HCP）、晶胞参数，以及平均晶粒尺寸。
应用： 确认纳米催化剂的晶体结构是否符合预期，判断是否形成合金或新的晶相，评估结晶度。对于形貌控制，不同晶面暴露会导致某些衍射峰强度的相对变化，提供间接信息。

2. 选区电子衍射 (SAED)

原理： 在TEM中，通过限制电子束在样品特定区域衍射，形成衍射斑点或环。衍射斑点的位置和对称性反映了该区域的晶体结构和取向；衍射环则表示多晶样品。
应用： 确定特定纳米粒子的晶体结构和取向，补充XRD无法提供的局部晶体信息。

3. X射线光电子能谱 (XPS)

原理： 用X射线照射样品表面，使其内层电子发生光电效应，根据出射光电子的能量和强度，可以确定样品表面（通常是几纳米深）的元素组成、化学态和电子结构。
应用： 分析纳米催化剂表面原子的氧化态、配位环境，以及表面活性剂或杂质的存在情况，这对于理解形貌控制机制和催化活性至关重要。

4. 能量色散X射线谱 (EDX/EDS)

原理： 在SEM或TEM中，电子束轰击样品，激发样品中的原子发射特征X射线。根据X射线的能量和强度，可以进行元素定性定量分析和元素面分布成像。
应用： 确定纳米粒子的元素组成，对于合金纳米粒子，可以分析不同元素的分布是否均匀。

三、催化性能评估

除了上述结构和形貌表征，最终还需要通过催化性能测试来验证形貌控制的效果。

1. 气相/液相反应器

原理： 将催化剂放置在反应器中，通入反应物，控制反应条件（温度、压力、流速等），收集产物并进行分析。
分析手段：
- 气相色谱 (GC)： 分离并定量分析气态或易挥发液态产物。
- 质谱 (MS)： 识别和定量分析产物，尤其适用于复杂混合物或痕量分析。
- 高效液相色谱 (HPLC)： 分离并定量分析非挥发性液态产物。
指标： 转化率（Conversion）、选择性（Selectivity）、产率（Yield）以及周转频率（TOF, Turnover Frequency，单位时间内每个活性位点的转化分子数）。

2. 原位/操作条件表征 (In-situ/Operando Characterization)

原理： 在催化反应过程中，实时监测催化剂的结构、组成、电子态或反应中间体。
常见技术：
- 原位漫反射傅里叶变换红外光谱 (In-situ DRIFTS)： 监测反应物、产物和中间体在催化剂表面的吸附和转化过程。
- 原位X射线吸收光谱 (Operando XAS)： 实时监测催化剂活性组分的氧化态和局部结构变化。
- 环境透射电子显微镜 (Environmental TEM, ETEM)： 在反应气氛下直接观察催化剂形貌和结构的变化。
  这些技术能够揭示形貌控制如何影响实际反应过程中的催化机制，是理解构效关系的关键。

通过这些综合的表征手段，科学家们能够全方位地了解纳米催化剂的“身份证”，从而优化合成策略，并深入理解形貌与催化性能之间的构效关系。

案例研究与应用：形貌控制的能量与未来

纳米催化剂的形貌控制不仅仅是实验室里的“高精尖”研究，它已经并将继续在众多关键领域发挥举足轻重的作用。

1. 燃料电池中的氧还原反应 (ORR)

燃料电池被认为是未来清洁能源的关键技术之一，但阴极的氧还原反应（ORR）动力学缓慢，需要高效催化剂。铂（Pt）是目前最有效的ORR催化剂，但其高昂的价格和稀缺性限制了其大规模应用。

形貌控制的应用： 科学家们发现，Pt纳米晶体不同晶面在ORR中表现出截然不同的活性。例如，Pt的(111)晶面被认为对ORR具有更高的本征活性。通过形貌控制，可以合成富含(111)晶面的Pt纳米八面体，其ORR活性显著高于多晶Pt纳米球和富含(100)晶面的Pt纳米立方体。
挑战与展望： 尽管纯Pt纳米八面体活性高，但在实际燃料电池运行条件下，它们的稳定性仍需提升。目前研究方向包括制备Pt合金（如Pt-Ni、Pt-Co）纳米八面体，利用合金化效应进一步优化电子结构，同时提高耐久性。

2. 氢气生产与氢能 (HER)

氢气被视为未来的清洁燃料，通过电解水制氢是重要的途径。析氢反应（HER）的效率直接影响制氢成本。

形貌控制的应用： 硫化钼（MoS $_2$ ）作为一种非贵金属催化剂，在HER中表现出优异的活性。MoS $_2$ 的催化活性位点主要位于其边缘位点。因此，通过形貌控制，可以制备出具有丰富边缘位点或高缺陷密度的MoS $_2$ 纳米结构，如超薄纳米片、纳米花、分级多孔结构等，以最大化活性位点的暴露，显著提升HER活性。
其他案例： Pt纳米线在HER中也表现出高活性，因为其一维结构可以暴露更多活性边缘位点。

3. 一氧化碳氧化 (CO Oxidation)

CO氧化是消除工业废气中CO污染，以及在燃料电池中去除Pt催化剂毒化剂CO的关键反应。

形貌控制的应用： 金（Au）纳米粒子在低温CO氧化中表现出独特的活性。研究表明，Au纳米颗粒的形貌，特别是其尺寸和表面活性位点（如阶梯位点、角位点），对其CO氧化活性有显著影响。通过控制Au纳米粒子的尺寸和形貌，可以优化其与载体（如TiO $_2$ 、CeO $_2$ ）的相互作用，进一步提升催化性能。例如，具有特定界面的Au纳米立方体在CO氧化中可能表现出比纳米球更高的活性。

4. 选择性加氢反应

在精细化工和制药领域，高选择性加氢反应至关重要，它能将原料转化为目标产物，同时避免副反应。

形貌控制的应用： 钯（Pd）纳米粒子是常用的加氢催化剂。通过形貌控制，可以制备出暴露不同晶面的Pd纳米粒子，从而调控其对不同不饱和键的吸附强度和活化选择性。例如，对于炔烃的选择性加氢制烯烃，特定的Pd晶面（如富含低配位原子的晶面）可以抑制烯烃的进一步加氢，提高目标烯烃的收率。

5. 光催化与太阳能转换

利用太阳能驱动化学反应（如分解水产氢、CO $_2$ 还原、有机污染物降解）是可持续发展的方向。

形貌控制的应用： TiO $_2$ 是最常用的光催化剂，但其量子效率受限。通过形貌控制，可以制备暴露高活性晶面（如锐钛矿TiO $_2$ 的(001)晶面）的TiO $_2$ 纳米片，这些晶面具有更高的表面能和更强的氧化还原能力，从而显著提升光催化活性。此外，设计具有分级结构或异质结的复合纳米光催化剂，可以促进光生载流子的分离和传输，进一步提高效率。