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二氧化钛(TiO2)被广泛应用于生物医学、光催化等领域，其中一项颇具潜力的应用即为处理废水中诸如药物残留和其他化学污染物等微污染物。TiO2纳米管(NTs)凭借其显著增加的比表面积，成为去除这类水中污染物的理想候选者。然而，通过阳极氧化合成的TiO2 NTs是无定形的，不具备光催化活性，因此，为实现光催化性能，必须通过额外的晶化过程将其转化为锐钛矿或金红石晶体相。尽管传统的高温煅烧可以完成这一转化，但考虑到其可能会破坏温度敏感的支撑材料且能耗较高、处理周期较长，低温晶化工艺逐渐受到关注。虽低温晶化可以解决传统工艺的问题，但仍存在局限性，如难以实现局部精确修饰，且可能导致NTs形态的部分损伤。
脉冲激光处理作为一种新兴的晶化技术，展现出显著的局部精确修饰能力，尤其适用于对温度敏感基材的操作。激光不仅可诱发TiO2 NTs的晶化转变，还能引入缺陷和特定表面晶面，这些因素均有利于提升其光催化活性。尽管已有大量研究探索了不同激光参数对各类纳米结构的影响，但对于激光诱导TiO2 NTs晶化的具体机制，目前仍主要停留在理论推测层面，缺乏充分的实验证据支持。除激光功率和脉冲数外，其他可能影响激光晶化过程的参数尚未得到系统研究，且TiO2 NTs的激光晶化机理仍未形成统一的理论框架。
针对上述情况，该研究采用两步阳极氧化法制备非晶态TiO2纳米管，并通过激光照射，系统探究了激光参数对晶化过程的影响及其背后的晶化机制。采用拉曼光谱、x射线衍射、扫描电子显微镜、紫外可见光谱、透射电子显微镜以及亚甲基蓝的降解对试样进行了深入的表征与分析。研究表明，随着激光功率增大，非晶态TiO2 NTs逐步转变为锐钛矿相和金红石相，与热晶化机制相吻合。相反，当激光扫描速度增加、脉冲数相应减少时，锐钛矿相向金红石相转变并伴随一定程度的熔融现象。值得注意的是，无论是通过激光还是煅烧方式获得的锐钛矿样品，其对亚甲基蓝的降解动力学常数均表现为0.013 s⁻¹cm⁻²。该研究加深了对TiO2纳米管激光晶化的认识，初步探讨了其可能的晶化机制，为进一步优化激光处理条件、提升TiO2 NTs在废水处理中的光催化效能提供了有价值的科学依据。
相关研究结果以题为“Laser-Crystallization of TiO2 Nanotubes for Photocatalysis:Influence of Laser Power and Laser Scanning Speed”的论文发表在《Laser & Photonics Reviews》上。
图1. 在抛光钛片上合成的纳米管（a）表面和（b）截面的SEM图像。
图2. 不同激光扫描速率下，拉曼光谱测得的锐钛矿比率（AR）与（a）激光功率和（b）累积激光能量密度（Facc）的关系图。
图3. 在376 mW和5mm/s激光处理条件下，标记金红石和锐钛矿层的纳米管的（a）顶部SEM图像和（b）横截面TEM图像。
图4. TiO2纳米管分别在激光处理与煅烧下的光催化降解亚甲基蓝对比图。
-编辑：王云飞-
-审核：张毫杰-
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浙江工业大学
激光先进制造研究院
