自1972年Fujishima等人发现半导体材料的光催化效应以来,光催化相关的基础研究得到了充分的发展。将光催化材料应用于污染治理、太阳能转换和自清洁等方面的探索研究,为应对环境污染和能源危机这两大困扰人类社会的难题提供了解决方案。在众多光催化剂中,TiO2材料因其高物理稳定性、低成本、强紫外光响应与高催化活性等特性,被学术界广泛研究并实现了产业化。然而,传统TiO2材料的光生载流子复合几率较高并且其禁带宽度相对较大,限制了其光催化效率以及对太阳光能的利用率。为了进一步提高TiO2材料的光催化效率以及对太阳光的利用率,最终提升其光催化活性,对于Ti02进行改性已成为材料学、物理学、化学以及环境科学领域的热门研究课题。本文首先对Ti02光催化材料及其改性手段进行了简介。对TiO2材料及其光催化反应原理与应用进行了简述。对现有的光催化剂改性技术进行了介绍,并针对异质结构复合改性技术进行了重点介绍。随后,为抑制光生载流子复合与拓展光响应,对TiO2纳米光催化剂进行了异质结构复相改性。以TiO2为基础,通过水热、溶胶凝胶等湿化学方法,进行两相／多相组元的异质结构复合,构造了四种Ti02基异质结构复合光催化剂。设计了分别具有高效紫外光、可见光或近红外光响应的复合物,有效拓展了Ti02材料的吸收截面,提高了对太阳光谱中光能的利用率。通过异质结构的构造,调整了界面处的能带结构,构建了p-n型内电场,促进了光生载流子的传输,增强了对降解底物的吸附从而提高了异质结构复合物的光催化活性。具体工作如下：一、采用水热法制备了厚度可控的TiO2(B)@TiO2(anatase)异质结构复合物,获得了由不同带隙的同质异构体所组成的异质结构界面,增强了其紫外光催化活性。在TiO2(B)纳米带表面成功地外延生长了厚度可控的锐钛矿相纳米晶壳层,形成了TiO2(B)@TiO2(anatase)同质异构体复合光催化剂。该制备方法流程简单,且能够在有效保留原有一维纤维骨架结构的基础上对壳层厚度进行调控,壳层厚度在0至32nm之间可控。随后确认了异质结构界面的形成,估算了异质结构界面处的能带结构。结果显示TiO2(B)相的禁带位置位于锐钛矿相的导带与价带之间,有助于光生载流子的迁移与分离。由于TiO2(B锐钛矿相的同质异构特性,二者特定晶面存在较小失配,因此构造出了连续的异质结构界面。光催化性能测试结果显示,异质结构复合物的催化活性均高于其组元。相比于TiO2(B)纳米带与锐钛矿相TiO2纳米晶,优化后的异质结构复合样品对5mg/L甲基橙溶液的光催化降解速率常数分别提升了4.9倍与3.2倍。通过荧光光谱验证了异质结构界面对光生电子空穴对复合的抑制作用,映证了TiO2(B)与锐钛矿相异质结构复合物的优异催化活性。通过构造异质结构界面来提升光生电子空穴对的分离,抑制其复合并提高了光催化剂的催化活性。此外,还将纳米金颗粒沉积于上述异质结构样品表面,构成TiO2(B)@TiO2(anatase)/纳米金三相复合催化剂,将其应用于甲基橙的光降解反应,降解率提升了近26%,表明其具有优异的光催化活性。二、构造了TiO2/YFeO3p-n型异质复合结构,在复合物内部形成了p-n型异质结构,通过内电场促进光生载流子的分离,提高了异质结构复合物的紫外光催化活性。首先,利用溶胶凝胶法制备了YFe03窄带系光催化剂,并调控其物相、形貌以及可见光催化活性。相比于高温合成的正交相YFe03样品,低温合成的六方相YFeO3样品具有较窄的带隙、较高的比表面积、较小的晶粒尺寸与独特的孔状结构,因此具有较高的可见光催化活性。随即采用活性较高的p型半导体六方相YFeO3作为骨架载体,将其与n型半导体TiO2进行复合,获得p-n型异质结构复相光催化剂。通过调节反应物的配比,制备了一系列不同物相组成的p-n型异质结构复合物。结果显示,随着YFeO3加入量的提升,Ti02由金红石相向活性较高的锐钛矿相发生转变,并且晶粒尺寸也随之变小。在一定配比下,金红石相、锐钛矿相与六方相YFeO3同时存在。随后,对不同配比的系列复合物样品进行了光催化性能测试。结果显示,金红石/锐钛矿/YFeO3(YT-5)三相复合比例约为85：10：5,具有最高的催化活性,其催化降解速率得到明显提升。该p-n型异质结构复合物对10mg/L甲基橙的光降解率分别为纯金红石样品及相同组分机械混合样品的18倍与1.8倍。通过HRTEM观测,确定了该样品中所形成的p-n型三相复合异质结构界面,在三相复合界面,光生载流子得到了充分的分离,抑制了复合。在这三相复合界面以及较高的吸附氧能力协同作用下,YT-5样品具有了优异的催化活性。三、通过水热-热处理-水热法,构造了TiO2@C/Graphene异质结构复合光催化剂,利用无定形碳作为TiO2纳米晶与石墨烯二维平面之间的异质结构界面,提高了TiO2与石墨烯的复合效果,提升了其可见光催化活性。首先,采用水热法制备了Ti02纳米晶,通过热处理调节了样品表面碳膜的厚度和表面无序度。随后将碳包覆的Ti02与石墨烯进行复合,获得了一系列异质结构复合样品。结果验证了TiO2表面的无定形碳,在一定厚度和无序度的状态下,可作为优异的异质结构复合界面,起到的桥接TiO2与石墨烯以及抑制光生载流子复合的作用。光催化活性测试结果显示,经过360℃热处理的TiO2@C/Graphene复合样品(TC-360/G):(?)面可获得较薄厚度和较低表面无序度的碳膜,有利于提升异质结构复合物的光催化活性。在4h可见光辐照处理后,该样品对甲基橙的降解率是活性较弱样品(TC-450/G)的5.2倍,以及P25与石墨烯复合物的1.9倍。文中还提出了TiO2@C/Graphene复合物的载流子传输模型,在此类碳膜作为异质结构界面的情况下,TiO2与石墨烯可以充分地结合,因此TiO2的分散性提高,并且光生载流子的传输效率也得到提高,更多的光生电子可以通过高效界面从Ti02向石墨烯进行输运,抑制了光生载流子的复合,由此得到了较高的光催化活性。四、采用温和的水热法,构造了NaYF4:Yb,Tm@TiO2核壳异质结构复合物,壳层Ti02高度晶化且厚度可控,所得样品获得了良好的近红外光催化活性。首先,利用水热法合成了稀土掺杂的NaYF4纳米材料；随后,通过研究其晶型、形貌以及掺杂配比对于其上转换发光性能的影响,优化了NaYF4:Yb,Tm微米棒的发光性能,获得了具有最高紫外光发光效率的掺杂配比与制备条件。在温和条件下,均匀、可调地在上转换氟化物微米棒表面包覆高度晶化的锐钛矿相纳米晶异质结构壳层,获得了具有紧密复合界面的NaYF4:Yb,Tm@TiO2核壳异质结构复合物。通过调节Ti前驱液的浓度,获得了一系列具有不同包覆状态的异质结构复合物。上转换发光性质测试结果显示,异质结构壳层的存在,对于核的紫外发射光有着极强的吸收。荧光寿命测试与自由基捕获实验,分别确认了近红外激发下紫外光能量在异质结构界面上的“辐射-再吸收”传输模式以及Ti02壳层中的活性物质的产生。该核壳异质结构复合物在近红外光激发下具有较强的光催化活性,经12h辐照处理后即可降解近90%的亚甲基蓝染料。催化活性结果显示了核层发光与壳层Ti02光催化这一异质复合结构的协同复合作用。此外,还证实了相对较薄的催化剂壳层(0.04mol/L TiF4包覆)更有利于光能的双向传输,促进此类近红外激发模式下的光催化反应的进行,其光催化降解效率为具有较厚壳层(0.08mol/L TiF4包覆)样品的1.8倍。