本研究由E. Van Eynde、Z.-Y. Hu、T. Tytgat、S. W. Verbruggen、J. Watté、G. Van Tendeloo、I. Van Driessche、R. Blust和S. Lenaerts等作者共同完成。研究机构包括比利时安特卫普大学（University of Antwerp）、鲁汶天主教大学（Catholic University of Leuven）和根特大学（Ghent University）。该研究于2016年7月21日发表在《Environmental Science: Nano》期刊上。
本研究的主要科学领域是环境科学与纳米技术，特别是利用生物矿化技术制备光催化材料。研究的背景是，自然界中存在许多经过地球演化优化的生物矿化微纳米结构，其中硅藻（diatom）产生的生物硅（biosilica）因其独特的3D结构和孔隙特性而备受关注。硅藻是一种单细胞真核微藻，能够将可溶性硅自组装成复杂的硅质细胞壁（称为frustule）。硅藻frustule具有微孔到介孔的多级孔隙结构，且能够在常温常压下形成。
硅藻frustule的潜在应用包括色谱、膜技术和药物递送等领域。通过引入钛等元素，硅藻frustule的应用可以扩展到光催化、光捕获和能量存储等领域。然而，传统的化学合成方法通常使用苛刻的化学试剂和反应条件，不够环保。因此，本研究旨在探索一种绿色的生物合成方法，利用硅藻的生物矿化能力，将钛元素引入其硅质细胞壁中，从而制备出具有光催化活性的硅-钛复合材料。
本研究的主要流程包括以下几个步骤：
研究使用淡水硅藻Pinnularia sp.作为实验对象，并在含有不同钛源的培养基中进行培养。实验测试了六种不同的钛源，包括四种可溶性钛配合物（Ti-H2O2、Ti-TEA、Ti-EDTA、TiBALDH）、纳米晶P25（Ti-P25）和酸水解钛（Ti-HCl）。每种钛源均制备成约1.5 g/L的钛储备液。
硅藻在含有不同钛源的培养基中进行分批培养，培养条件包括20°C恒温、18小时光照/6小时黑暗循环，以及1 L/min的曝气速率。通过每日取样测量细胞密度，并使用Gompertz模型拟合生长曲线，评估不同钛源对硅藻生长的影响。
培养结束后，硅藻细胞通过离心分离，并使用硝酸（65%）或高温处理去除有机基质。随后，通过热退火将无定形二氧化钛转化为晶态二氧化钛。
制备的硅-钛复合材料用于光催化降解乙醛（acetaldehyde）的实验。光催化实验在平板光反应器中进行，使用25 W UVA灯作为光源。通过FTIR光谱仪检测乙醛和二氧化碳的浓度变化，评估材料的光催化活性。
对制备的硅-钛复合材料进行了一系列表征，包括形态、结晶性、比表面积和元素分布等。使用TEM、HAADF-STEM、EDX、XRD和BET等方法对材料进行了详细分析。
实验结果表明，硅藻能够从培养基中吸收钛并将其引入硅质细胞壁中。不同钛源的吸收效率不同，其中TiBALDH处理的硅藻frustule中钛含量最高，达到10.4 wt%。
TiBALDH处理的硅藻frustule表现出最高的光催化活性，尤其是在经过HNO3处理和650°C退火后，其光催化性能最佳。尽管P25的光催化活性是硅藻frustule的4倍，但当光催化活性按钛含量归一化后，硅藻frustule的光催化活性是P25的两倍。
材料表征结果显示，硅藻frustule中的钛主要以TiO2纳米颗粒的形式存在于硅质基质的孔隙中。HNO3处理去除了部分铁和铜等元素，减少了电子-空穴对的复合，从而提高了光催化活性。
本研究通过硅藻的生物矿化过程，成功制备了具有高光催化活性的硅-钛复合材料。这种材料具有高比表面积和良好的孔隙结构，能够有效固定TiO2纳米颗粒，适用于光催化空气净化等环境修复应用。与传统的化学合成方法相比，这种生物合成方法更加环保，且能够实现TiO2的稳定固定。
本研究还探讨了不同钛源对硅藻生长的影响，发现某些钛源在低浓度下能够促进硅藻生长，表现出“hormesis”（低剂量刺激效应）现象。此外，研究还详细分析了硅藻frustule中钛的分布及其对光催化性能的影响，为未来优化光催化材料提供了重要参考。
总之，本研究为开发高效、环保的光催化材料提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。