TiO₂纳米管阵列（TNTs）是经典的光阳极材料。对其进行稀土元素掺杂是提高其光电催化（PEC）性能的有效手段。稀土离子具有独特的4f电子壳层，可以引入杂质能级、产生晶格畸变、增加氧空位浓度。然而，不同稀土离子由于离子半径和电子构型的差异，其掺杂效果可能大相径庭。本研究通过阳极氧化法在钛基底上制备了高度有序的TNTs，随后通过浸渍-煅烧法进行了La、Ce、Eu、Gd四种典型稀土离子的掺杂。
紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和电化学阻抗谱（EIS）等测试表明，四种稀土离子均能不同程度地拓展TNTs的可见光吸收、降低带隙能、提高光生载流子的分离效率。其中Ce掺杂TNTs的效果最为突出，其带隙从3.2eV缩窄至2.8eV，可见光区的光电流响应增强了约4倍。这归因于Ce³⁺/Ce⁴⁺的氧化还原循环可以作为一种高效的电子穿梭体和氧空位调节剂。
在PEC同步产氢和降解苯酚的实验中，Ce-TNTs光阳极展现了最优的性能。在AM 1.5G光照和+0.5V vs. Ag/AgCl偏压下，其对苯酚的氧化降解速率和阴极的产氢速率分别是未掺杂TNTs的5.2倍和4.8倍。自由基捕获实验表明，空穴（h⁺）和·OH是氧化苯酚的主要活性物种。机理分析认为，Ce掺杂在TiO₂晶格中引入了Ce 4f杂质能级，作为电子捕获陷阱，有效抑制了电子-空穴的复合；同时，Ce³⁺/Ce⁴⁺在表面的氧化还原对促进了界面电荷转移。该研究为通过稀土元素掺杂理性设计高性能TiO₂基光阳极提供了系统的对比和优化指导。
