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纳米二氧化钛(Ti O2)是最为重要的一种光催化剂,被广泛应用于环境治理、光解水制氢、太阳能电池、传感器等方面。近年来关于构建特殊结构和形貌的Ti O2纳米材料的研究与日俱增,特别是在光催化环境治理的应用中为了便于分离和回收使用的需要,固定化Ti O2复合材料(结构化催化剂)的研究越来越具有吸引力,受到国内外研究者的关注。本文以金属钛片为钛源和基底,采用水热法和阳极氧化法在钛基表面制备了特殊结构的Ti O2纳米带、Ti O2纳米管和Ti O2纳米棒等固定化的一维材料;采用贵金属沉积、半导体复合和Ti3+自掺杂改性等方法制备了具有可见光催化活性的复合光催化剂;利用FE-SEM、XRD、TEM、XPS、UV-Vis/DRS等手段对复合催化剂的结构和形貌进行了表征,并详细地研究了它们的光电性能及光催化性能。具体内容如下(1)采用改进的碱溶热法在金属Ti片表面制备了固定化的Ti O2纳米带,然后采用浸渍沉淀法制备了Ag I/Ti O2纳米带复合光催化剂。Ti O2纳米带宽度为几十至一百纳米,长度可达数十微米,带与带之间纵横交错,形成了孔隙率很高的卷曲状网络结构;Ti O2纳米带表面的纳米Ag I颗粒负载的数量和分散程度可以通过浸渍次数来控制。在最佳浸渍次数为3次条件下,直径为5~8nm的Ag I颗粒均匀地负载在Ti O2的纳米带上,其复合催化剂不仅保持了紫外区域的光吸收,而且吸收边缘拓宽至可见光区(约450nm)。在可见光照射下,Ag I/Ti O2纳米带复合催化剂光电流密度是纯Ti O2纳米带的6倍;在100分钟内,可见光催化AO-II脱色率可达86%,催化剂经过四次重复使用后,光催化降解效率仍达70%,表现了良好的可见光的活性及重复使用性能。光催机理研究表明,该催化体系中?O2-为主要活性物种;Ag I和Ti O2的能带位置相匹配,形成异质结构使光生电子能有效分离并发生转移,提高了可见光催化活性,同时抑制了Ag I的光分解,提高了稳定性。(2)以钛片为钛源和基底,在含F-的甘油体系的电解液中通过25V直流电压阳极氧化氧化2h,制备固定化的锐钛矿Ti O2纳米管,然后采用低温多元醇还原法制备了Ag/Ti O2纳米管等离子体复合催化剂。制备的纳米管高度有序,直径可以达到100纳米,壁厚约10 nm;Ag颗粒平均粒径为8 nm,均匀分散于Ti O2纳米管的管内和管外。分析表明,Ag/Ti O2纳米管复合物光谱的吸收边缘发生了红移,在410 nm出现一个局部等离子共振的宽峰,导致可见光电流是纯Ti O2纳米管15倍以上;EIS证实了该复合物表面电子迁移率得到提高,促进了光生电子-空穴对有效分离并发生转移。在可见光下降解AO-II结果表明,Ag/Ti O2纳米管2 h内光催化效率达到40%,是纯Ti O2纳米管的6.7倍;在0.2 V偏压下其光电催化效率提高到60%。(3)以钛片为钛源采用阳极氧化法制备固定化的锐钛矿Ti O2纳米管,然后以Ti O2纳米管作载体和反应物,在不使用任何模板的情况下,采用水热法成功制备出Bi2Ti2O7/Ti O2纳米管复合光催化剂。电镜分析表明,所负载的Bi2Ti2O7为八面体结构,平均粒径为200 nm左右,部分地嵌入到Ti O2纳米管内,其数量可以通过前驱体的浓度控制。采用XRD和XPS确对其物相和化学价态进行了确证;光谱分析表明复合催化剂提高了可见光区域的光吸收,促进了光生电子和空穴的有效分离。在可见光照射下,Bi2Ti2O7/Ti O2-2复合材料光电流最大,达到9.2μA/cm2,是纯Ti O2的6.5倍;可见光下5h,降解AO-II的效率达到60%;该催化剂四次重复使用后,光降解效率仍然达到52%,表明Bi2Ti2O7/Ti O2纳米管复合催化剂具有良好的可见光活性及重复使用性能。(4)在HCl浓度为0.5M,反应温度为220℃,反应时间为12 h的最优条件下,在钛片上采用一步水热法制备了金红石Ti3+自掺杂Ti O2纳米棒。所制备的Ti O2纳米棒宽度变化范围是约50-250 nm左右,长度约为600 nm。经过不同气氛(Ar、Air、H2)的热处理,其结果是:氢气处理得到样品的光电流密度最大,其原因是氢气处理产生了更多的Ti3+提高了光电性能;氩气处理的要比空气处理大,产生这种差异的原因可能是一步水热法样品本身含Ti3+,氩气热处理的巩固了这种Ti3+,而空气热处理使Ti3+转化为Ti4+。通过设计N2H4还原,进一步提高了Ti3+/Ti O2纳米棒光电催化性能。