雖然二氧化鈦是一種有潛質的催化劑材料，但是， 3.2 eV 的禁帶寬度使得 TiO2 只能被占太陽光 5%的波長較短的紫外線（ λ﹤387 nm）激發(fā)， 同時，光激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴極易復合，導致吸收光的量子產(chǎn)率很低，這大大限制了二氧化鈦的光催化效率。 為了解決這一問題，科學工作者們進行了大量的試驗研究，主要包括與窄禁帶半導體耦合、金屬/非金屬離子摻雜、兩種或多種離子共摻雜、染料或者金屬化合物表面敏化和貴金屬沉積等。
1 摻雜
據(jù)摻雜離子的不同，可以分為金屬摻雜，非金屬摻雜和共摻雜三種。金屬摻雜 TiO2 已經(jīng)被廣泛研究 。 根據(jù)之前的研究，金屬離子摻雜 TiO2 擴大了其光吸收范圍、增加了光生自由基的氧化還原電勢，并通過阻止光生電子空穴的復合來提高量子效率。 盡管有大量的研究證明金屬離子摻雜 TiO2 如何增加可見光的吸收，但是需要提到的是，增加可見光的吸收不是提升摻雜 TiO2 光活性的充足條件 。 實際上，在陽離子的植入過程中會產(chǎn)生大量的缺陷，這些缺陷可以作為復合中心，從而降低光催化活性。這個不良影響可以通過再次退火摻雜 TiO2 來解決。
稀土金屬具有不完全占據(jù)的 4f 和空的 5d 軌道，可以用作催化劑或者促進催化。大量的研究將稀土金屬與 TiO2 結合來提高其光活性。 研究表明， Ce 摻雜 TiO2（銳鈦礦相和金紅石相混合）可以阻止 TiO2 晶粒長大來降低晶粒大小（ 增加比表面積），從而提高光催化活性。另外， Ce 氧化還原對（ Ce3+/Ce4+）可以作為電子清除劑捕獲大量電子，從而提高光催化活性。 也有研究表明， Ce 的摻雜量對光催化活性有著很大的影響。當 Ce 的摻雜量很大的時候，空間電荷區(qū)變窄，光的穿透深度超過了空間電荷層。因此， 光生電子空穴對的復合就變的容易，從而降低了光催化活性 。用溶膠凝膠法制備的 Gd3+/TiO2 具有最低的帶隙和顆粒尺寸、最高的比表面積和孔體積。
貴金屬摻雜TiO2 的高催化活性主要來自 4f 電子的轉移，它通過允許電荷在 TiO2 價帶/導帶和稀土元素的 4f 之間轉移來降低帶隙能量。 過渡金屬摻雜 TiO2 提高光催化活性主要是基于試圖創(chuàng)建帶隙能量轉移和延伸 TiO2 的光響應范圍到可見光區(qū)。之前有研究表明，過渡金屬摻雜可以調整電子結構并使其吸收邊帶從紫外光移動到可見光區(qū)，從而提高 TiO2 的光催化活性。吸收邊帶移動至可見光區(qū)是由電荷在過渡金屬和 TiO2 的導帶或者價帶之間的躍遷導致的。過渡金屬在 TiO2 的電子結構中創(chuàng)建了一個新的電子態(tài)，可以捕獲從 TiO2 價帶激發(fā)的電子，從而阻止電荷載體的復合 。
2 貴金屬沉積
貴金屬沉積是 TiO2 光催化劑修飾的另外一種方法。 貴金屬包括 Os、 Pd、 Ru、 Rh、 Ag、 Ir、 Pt 和 Au 等，它們具有較高的耐腐蝕性和在潮濕空氣中耐氧化。 以往的研究表明貴金屬（包括 Pt、 Ag、 Au、 Pd、 Ni、 Rh 和 Cu）沉積可以有效的提高 TiO2 的光催化活性。 因為貴金屬的費米能級比 TiO2 的要低，光生電子可以從 TiO2 的導帶傳遞到沉積在 TiO2 表面的金屬顆粒上，而價帶上的光生空穴仍然在 TiO2 上。這就很大程度上降低了電子-空穴的復合幾率，從而有效的提高光催化活性。大量的研究表明，這類復合材料的性質主要取決于金屬顆粒的大小、分散和組成，當金屬顆粒的尺寸小于 2 nm 時，復合材料顯示出優(yōu)異的催化行為。 當金屬顆粒濃度太高時， TiO2 對光的吸收降低，從而使得金屬顆粒成為電子-空穴復合中心，降低催化效率。
3 半導體復合
不同半導體復合是最近幾年的另外一個研究熱點。 當兩種半導體材料耦合的時候， 當光照射一種半導體的時候，可以在兩者的界面處與另外一個半導體中產(chǎn)生響應。 在光催化系統(tǒng)中，將 TiO2與其他半導體材料耦合可以將吸收邊帶延伸到可見光區(qū)并降低電荷載體的復合。 研究表明，兩種半導體材料導帶和價帶的良好匹配可以保證電荷載體從一個轉移到另一個。
復合不同半導體的研究很多，比如 TiO2-CdS, Bi2S3-TiO2, TiO2-WO3, TiO2-SnO2, TiO2-MoO3,和 TiO2-Fe2O。引起最多興趣的是 CdS 和 TiO2 的耦合。當 TiO2 與 CdS 復合時，可以用比激發(fā) TiO2 更低的能量激發(fā) CdS,所以光生電子可以從 CdS 注入到 TiO2，而空穴留在 CdS 中。電子從 CdS 轉移到 TiO2 增加了電荷分離和光催化過程的效率。分離的電子和空穴可以更容易與催化劑表面的吸附物結合。甲基紫精幾乎可以在可見光下被 CdS/TiO2 復合光催化劑全部降解 。復合 WO3/TiO2 光催化劑在過去幾十年的研究也很多。 WO3 的價帶上邊緣和導帶的的下邊緣都比 TiO2 的要低。 WO3 可以被可見光激發(fā)，光生空穴可以從 WO3 轉移到 TiO2。
4 染料敏化
通過物理或者化學吸附染料來使寬禁帶半導體（ 比如 TiO2）光催化劑表面光敏化可以提高光催化劑激發(fā)過程的效率和擴大激發(fā)波長。通過激發(fā)吸附在光催化劑表面的染料可以在半導體顆粒中形成電荷載體。激發(fā)態(tài)可以向顆粒注入空穴或者電子。當單分子層染料分散在高比表面積的光催化劑上時可以得到高效率的電荷注入。敏化作用可以增加光催化劑的波長響應范圍，這對在太陽光下進行光催化反應是很重要的。
用呫噸染料作為敏化劑敏化 TiO2 在可見光下光催化降解 2,4-二氯苯酚。用不同染料敏化的 TiO2 對 2,4-二氯苯酚的光催化降解效率的順序是： 伊紅 ≈ 玫瑰紅 > 赤蘚紅 > 羅丹明 B。 通過在可見光下光催化降解羅丹明 B的實驗結果表明， 二萘嵌苯四甲酸二酰亞胺和四磺酸酞菁銅敏化的 TiO2 復合物與單純的 TiO2 相比具有更高的光催化效率。兩種染料敏化的 TiO2 復合物與一種染料敏化的 TiO2 復合物相比， 具有有效電子收集的兩種染料敏化的 TiO2 復合物顯示出更高的光催化活性。
