近年来,利用半导体光催化剂处理环境污染物已引起世界关注。TiO₂以其无毒、催化活性高、化学稳定性好、价廉易得及可直接利用太阳光等优点受到人们的重视。目前TiO₂光催化剂的制备方法主要为溶胶-凝胶法结合直接加热法。一方面,凝胶直接加热后受热不均,极易造成胶体结构塌陷,很难得到孔结构完整的催化剂,影响了催化活性的提高,迫切需要改进制备方法以提高光催化活性;另一方面,目前常用离子掺杂改善TiO₂的光催化性能,而采用直接加热法修饰离子时,由于离子与TiO₂的作用力不强,在反应过程中易从催化剂表面脱落。同时目前关于离子修饰的研究主要集中在金属离子上,而对非金属离子掺杂的研究甚少。考虑到以上因素,本文将超临界应用于溶胶-凝胶法制备TiO₂前躯体的干燥过程,并对TiO₂进行了金属和非金属离子的掺杂。以苯酚和丙酮的光催化降解作为探针反应,研究了它们在紫外和可见光下的光催化活性。同时采用XRD、TEM、SEM、FT-IR、XPS、Raman、NMR、UV、荧光光谱、氮吸附等手段对所制备催化剂的结构进行表征,系统讨论了催化剂结构和光催化活性的关系。具体内容分为以下四部分。1.采用Sol-gel法并结合直接加热干燥制备了TiO₂、Ce4+/TiO₂光催化剂。采用此法制备的氧化钛均具有较好的锐钛矿结晶度、高比表面积、大孔径和孔容以及更多的氧缺位和表面缺陷,这些特点都有利于苯酚的光催化降解。Ce4+可显著提高TiO₂的活性,主要归因于锐钛矿结晶度、比表面积、孔径和孔容的提高,特别是表面缺陷的增加。同时,超临界干燥比直接加热法更有效,其原因主要在于前者能使部分Ce4+结合在TiO₂的网络结构里,从而产生更多的表面缺陷,抑制电子-空穴对的复合,提高催化剂的量子效率。2.采用Sol-gel法并结合超临界萃取制备了N、S掺杂TiO₂光催化剂。结果表明超临界条件下N、S进入了TiO₂网络结构使得制备的TiO₂N、TiO₂S的活性远高于没有掺杂直接加热法制备的光催化剂。原因是在超临界条件修饰N、S,首先可进一步提高TiO₂的比表面积和孔容,使得更多反应分子能够吸附在催化剂表面;其次可使TiO₂中锐钛矿相的结晶度显著提高,激发产生更多的空穴-电子对用于光催化降解,使催化剂表面具有更多的活性位;第三催化剂对光的吸收发生红移,使得催化剂对可见光的吸收大大的增强。3.用Sol-Gel方法并结合氟化氨乙醇溶液超临界萃取法制备高活性光催化剂。其催化活性远高于商业P25 TiO₂催化剂,这主要归因于在超临界条件下氟和氮进入了TiO₂的网络结构,从而使得催化剂表面具有更多的活性位,而且增加了氧缺位和表面缺陷有利于抑制光生空穴与电子对的复合。另一方面同时修饰氮和氟使得催化剂对光的响应相对于单纯的掺杂氮进一步发生了红移,从而提高了催化剂在可见光区的活性。