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21世纪,环境污染和能源匮乏是人类社会面临的亟待解决的重大问题。半导体光催化技术在利用太阳能和解决环境污染方面有着广泛的应用前景。在众多氧化物半导体光催化材料中,二氧化钛(TiO2)半导体光催化材料以无毒、价廉、稳定性好和光催化活性高等优点被广泛应用于污水处理、空气净化、抗菌、自清洁材料和分解水制氢等领域。但是半导体二氧化钛禁带宽度较宽,只能吸收太阳光中的紫外光部分,同时由于光催化过程中二氧化钛表面光生电子-空穴对的快速重组使量子效率较低,严重阻碍了二氧化钛在实际生活中的应用。针对上述难题,本论文以具有高比表面积及渗透性良好的二氧化钛空心球为基材,通过结构调控、复合改性、掺杂等方法提高二氧化钛光吸收范围及减缓光催化反应过程中光生电子-空穴对的复合速率增强其光催化活性。主要研究内容如下:1.r-GO/Au/TiO2三明治结构空心复合材料以氨基修饰的二氧化硅(SiO2)微球为模板,通过静电作用及溶胶法在其表面依次包裹氧化石墨烯(GO)、金纳米粒子(Au)及TiO2层,最后除去模板并高温煅烧得到具有高比表面积且可见光响应的夹层状r-GO/Au/TiO2空心复合材料。通过TEM、XRD、STEM、EDS mapping和N2吸附-脱附等方法对r-GO/Au/TiO2空心复合材料进行表征。通过在紫外光、可见光及模拟日光照射下降解有机染料罗丹明B、亚甲基蓝和甲基橙来评价所制备的空心复合材料的光催化性能。光催化性能研究结果表明r-GO/Au/TiO2复合催化剂在可见光及模拟日光下罗丹明B降解动力学常数分别达到了 0.012和0.029 min-1,与r-GO/TiO2催化剂相比(k=0.0023和0.017 min-1)分别提高了 4.3和0.75倍。可见光及模拟日光下降解亚甲基蓝、甲基橙也表现出较好的光催化活性。2.Au@r-GO/TiO2蛋黄-蛋壳结构复合材料在上章研究的基础上,通过结构优化,减少贵金属的用量,以Au@SiO2为模板,表面氨基修饰,在其表面包裹氧化石墨烯(GO)和TiO2层,最后经过高温煅烧和碱蚀刻除去模板得到比表面积大、可见光响应的三元Au@r-GO/TiO2空心复合材料。通过TEM、XRD、HRTEM、EDS mapping、N2吸附-脱附及UV-Vis光谱等对Au@r-GO/TiO2空心复合材料进行表征。光催化活性研究结果表明,与Ti02、r-GO/TiO2和Au@TiO2相比,所制备的蛋黄-蛋壳结构Au@r-GO/TiO2复合催化剂在可见光及模拟日光下降解罗丹明B和光解水产氢中表现出更优越的光催化活性。3.TiO2/NiO空心复合材料贵金属由于价格昂贵,进一步通过与半导体氧化镍(NiO)复合制备非贵金属复合催化剂来提高TiO2的光催化性能。以SiO2微球为模板,在SiO2表面依次包裹TiO2和NiO,高温煅烧后碱蚀刻除去模板得到可见光响应的TiO2/NiO空心复合材料。通过TEM、HRTEM、XRD、UV-Vis、N2吸附-脱附及时间分辨荧光等方法对TiO2/NiO空心复合材料进行表征。研究结果表明,空心复合材料的组成和形貌主要取决于反应物浓度。材料表征发现与NiO复合之后空心复合材料的比表面积显著提高,从纯TiO2空心球的90.3 m2 g-1提高至114-180 m2g-1。所制备的TiO2/NiO空心复合材料与同条件下制备的TiO2空心球相比具有更高的光催化活性,当NiO含量为3.4 wt%时,TiO2/NiO复合催化剂在光催化降解有机污染物及光解水产氢中表现出最好的光催化性能。4.NiO/TiO2/C空心复合材料由于金属氧化物半导体内在导电性差的缺点阻碍了光催化反应过程中复合材料内部电子的有效转移,因此异质结光催化剂的光催化性能有待进一步提升。以聚苯乙烯(PS)微球替代SiO2微球为模板,以同样的实验条件包裹TiO2和NiO,最后通过煅烧过程制得NiO/TiO2/C介孔空心复合材料。通过TEM、HRTEM、XRD、UV-Vis和N2吸附-脱附等方法对NiO/TiO2/C空心复合材料进行表征。PS微球起到了双功能作用,不仅作为制备空心结构的模板还作为石墨化碳源。光催化降解有机污染物及光催化产氢活性研究结果表明NiO/TiO2/C(800℃)表现出最好的可见光光催化性能。与TiO2/NiO相比,石墨化碳的引入使得复合材料的光催化性能得到了进一步的提升,光催化产氢速率(356 μmol h-1 g-1)与TiO2/NiO 相比提升了 近一倍(180 μmol h-1 g-1)。5.C/N-TiO2空心复合材料非金属元素掺杂提高Ti02光催化活性的有效途径。以聚苯胺(PANI)为C/N掺杂源,PS/PANI为模板成功制备C/N-TiO2介孔空心复合材料。通过TEM、XRD、STEM、EDS mapping和N2吸附-脱附等方法对C/N-TiO2介孔空心复合材料进行表征。C/N共掺杂通过C、N2p轨道与O 2p轨道杂化可降低TiO2的禁带宽度,使掺杂后的TiO2光响应吸收边拓展到可见光的区域。与TiO2(600)空心球及C-TiO2(600)空心复合材料相比,可见光下光催化降解有机染料罗丹明B、苯酚及光分解水产氢研究结果表明碳氮共掺杂可显著提高Ti02的可见光光催化性能。C/N-TiO2(600)空心复合材料的光催化活性最高,光催化降解罗丹明B及苯酚的动力学速率常数分别为0.022及0.012 min-1;光催化分解水产氢速率达到最高为291μmolh-1g-1,对应的表观量子效率为0.9%。C/N-TiO2空心复合材料表现出的优异光催化性能表明其可作为潜在的低成本且性能好的可见光催化剂。