纳米材料因其物理化学性质在多个领域得到研究和应用。纳米CeO₂和纳米TiO₂作为两种重要的过渡金属氧化物纳米材料，因其良好的催化性能、光学性质和环境稳定性，在催化、光学、电子材料等领域具有重要的应用价值。尽管这两种材料在某些应用中具有相似性，但它们在晶体结构、物理化学性能以及催化应用机制方面存在差异。

结构对比

1 纳米CeO₂的结构

纳米CeO₂具有立方萤石结构，其中Ce⁴⁺离子位于由8个O²⁻组成的立方体的中心，每个Ce⁴⁺与八个O²⁻配位，每个O²⁻与晶格中的四个Ce⁴⁺配位。当CeO₂的尺寸减小到纳米级时，由于动态可逆的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对，从晶格中去除一个氧变得非常容易，导致一个氧空位的产生伴随着两个Ce⁴⁺离子交替变成两个Ce³⁺物种，从而产生非化学计量的CeO₂₋ₓ。这种结构演变诱导了纳米级二氧化铈的丰富表面化学，导致界面路易斯酸性和碱性物质以及布朗斯台德酸性位点的共存。

2 纳米TiO₂的结构

纳米TiO₂有板钛矿、金红石和锐钛矿三种晶型。其中，板钛矿因结构不稳定而极少使用；金红石型和锐钛矿型均属四方晶系，但锐钛矿型二氧化钛在可见光短波部分的反射率比金红石型高，带蓝色色调，且对紫外线的吸收能力比金红石型低，光催化活性比金红石型高。纳米TiO₂微粒一般为球形或类球形，由晶体和界面组元构成，晶体组元由所有晶粒中的Ti和O原子组成，界面组元由处于各晶粒之间的界面原子组成。

性能对比

1 纳米CeO₂的性能

纳米CeO₂具有可逆的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对，表现出多种类酶催化性能，被认为是一种很有前途的纳米酶。它具有良好的储放氧能力，不仅可以提高催化剂的结构稳定性和改善活性中心的催化性能，而且可以增强催化剂的氧化还原能力。此外，纳米CeO₂还具有良好的热稳定性和化学稳定性，在高温下仍能保持较好的催化活性。

2 纳米TiO₂的性能

纳米TiO₂是一种N型半导体材料，其能带结构由一个充满电子的低能级价带和一个空的高能级导带构成，它们之间被禁带隔开。纳米TiO₂的禁带宽度为3.2eV，当用能量大于或等于其禁带宽度的人射光照射时，其价带上的电子被激发，越过禁带进入导带产生高能电子和空穴，从而引发光催化反应。纳米TiO₂还具有良好的化学稳定性、热稳定性和光催化活性，能够耐受光腐蚀和化学腐蚀。

催化应用机制对比

1 纳米CeO₂的催化应用机制

纳米CeO₂在催化反应中主要通过其可逆的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对和储氧能力来发挥作用。在氧化还原反应中，CeO₂能够储存和释放氧气，调节反应气氛中的氧浓度，为反应提供适宜的氧环境。此外，CeO₂的表面性质也可以通过掺杂、包覆等手段进行调控，以进一步提高其催化活性。例如，在CO氧化反应中，Au/CeO₂催化剂中的CeO₂作为载体，能够供给Au催化剂活性氧，从而提高Au催化剂的活性。

2 纳米TiO₂的催化应用机制

纳米TiO₂在光催化反应中主要通过其良好的光催化性能来发挥作用。在光照射下，TiO₂的价带电子被激发到导带形成空穴-电子对，这些空穴和电子能够与吸附在TiO₂表面的OH⁻、H₂O和O₂等发生一系列的反应，产生高活性的·OH自由基等活性物种。这些活性物种能够与吸附在TiO₂粒子表面的有机物和部分无机物发生氧化还原反应，最终生成CO₂、H₂O和一些无害的无机离子。纳米TiO₂的光催化性能受其粒径、形貌、晶体结构等多种因素的影响。