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近年来水污染问题日益严峻，半导体光催化降解技术为处理低浓度、难降解的有机污染物提供了有效的途径。TiO2作为研究最为广泛的光催化剂，有两大局限性，即对太阳光的利用率低和光生电子/空穴易复合。因此，对TiO2进行改性和开发新型可见光响应光催化剂成为研究热点。Bi2O3带隙较窄，能够在可见光照射下迅速响应，氧化能力强，是一种理想的可见光催化剂。将TiO2与可见光响应的Bi2O3组装可以获得高可见光催化活性的复合光催化剂。本文采用两步阳极氧化法制备高度有序的TiO2纳米管阵列（以下简称TNTAs）薄膜，研究H2O含量、二次氧化时间和热处理温度等实验条件对形貌及光催化性能的影响，确定了最佳制备条件为H2O含量3.0vol%，二次氧化时间2h，热处理温度550℃。采用溶胶凝胶法制备Bi2O3，研究了HNO3和PEG200对结构和光催化性能的影响，确定了HNO3和PEG200的最佳用量分别为3.2mL和3.5mL。以TNTAs为基体，采用浸渍-分解法组装Bi2O3，制备Bi2O3/TNTAs薄膜，研究了Bi2O3溶胶浓度、真空度和热处理温度对薄膜形貌及光催化性能的影响，确定了最佳制备条件。采用了SEM、XRD、XPS和UV-Vis等多种表征方法对Bi2O3/TNTAs薄膜的结构和性能进行了分析，探讨了微观结构、太阳光谱匹配性及光催化性能的内在关系，最后对可能的光催化机理进行了讨论。结果表明，Bi2O3/TNTAs薄膜中Bi2O3和TiO2为主相，但是二者并不只是简单的复合，而是在二者之间发生了化学反应产生了Bi4Ti3O12相。TNTAs经过与Bi2O3的有效组装，其光吸收阈值由420nm增大至515nm，带隙由2.96eV减小至2.40eV。可见光催化实验结果表明，与纯TNTAs相比（23.0%），Bi2O3/TNTAs薄膜的可见光催化活性（93.5%）有明显提高。光催化反应动力学分析表明，该光催化反应为准一级反应，Bi2O3/TNTAs薄膜的反应速率为TNTAs的16倍。机理分析认为，可见光催化活性的提高主要可以归因于TiO2与Bi2O3的有效复合及Bi4Ti3O12相的存在，使得薄膜对可见光的吸收和利用增强，同时大大提高了光生载流子的分离效率。