二氧化钛作为重要的新能源和环境保护材料，在光催化、太阳能发电、太阳能集热等方面被广泛应用。然而，二氧化钛的太阳能利用面临巨大的挑战，主要原因在于光吸收范围窄、电子-空穴对的分离效率低。二氧化钛只能吸收太阳光谱中~5%的紫外光，而无法利用可见光和近红外光的能量；本征电导率只有~10-10 S/cm，不利于光生电子-空穴对的分离和传输。这些问题严重影响了二氧化钛在能源与环境领域的广泛应用，无法充分利用太阳能。

中国科学院上海硅酸盐研究所与北京大学化学学院开展了合作研究，黄富强、汪宙、杨重寅、林天全等科研人员原创地发展出多种新型制备方法(氢等离子法、铝还原法、二步非金属掺杂法)，大幅提高了太阳光谱中可见光和近红外光的吸收，效果明显。这些最新发现的黑色二氧化钛纳米晶，不同于高温氢气还原的黑色氧化钛，为一种核壳结构，核区仍为结晶的二氧化钛，外壳为无定型的结构，其中无序的外壳是使白色二氧化钛变成黑色的功能区域，无序的外壳包含氧空位或非金属X掺杂(X=H、N、S、I)。该结构可导致对太阳光的吸收高达85%，远优于文献报道(30%)。

良好的太阳能宽谱吸收、化学物理稳定性，以及改善的载流子浓度和电子迁移性能，可以满足高效太阳能的要求。其中，氮掺杂的纳米黑色二氧化钛，太阳光催化分解水，产氢率达到15 mmol h-1 g-1，处于报道最优异的可见光催化剂之列；对有机污染物的降解速率是商用纳米二氧化钛(P25)的四倍。黑色二氧化钛纳米管阵列用作光化学电池(PEC)电极，光能向氢化学能转换效率达到1.67%，为二氧化钛基PEC转换效率的最优值。