近年来,能源短缺问题日益严峻,光催化技术是解决这一问题最有潜力的绿色手段之一。光催化剂是光催化技术的核心,高效光催化剂的研究是光催化技术发展的关键,在众多的光催化材料中,TiO₂因具有无毒无害、价格低廉且光化学耐受性好等特点,是最有前景的光催化剂之一。然而,TiO₂较宽的带隙（锐钛矿为3.2 e V,金红石为3.0 e V）以及较高的载流子复合几率严重阻碍了其在光催化领域中的应用。本论文从引入缺陷和金属元素掺杂两方面出发,对TiO₂纳米材料的能带结构、亲水性和载流子传输性能加以调控,在一定程度上解决了上述两个问题,具体研究内容包括以下两个方面:1.表面疏水缺陷型TiO₂纳米材料的构筑:首先采用溶胶凝胶法制备出TiO₂纳米粒子,再通过Na BH₄还原TiO₂纳米粒子,在TiO₂表面形成氧缺陷层,得到具有缺陷的TiO₂（Vo-TiO₂）;随后通过水热法将形成的Vo-TiO₂氟化,从而获得表面疏水化的缺陷型TiO₂纳米材料（F-Vo-TiO₂）。实验结果表明,最终制得的F-Vo-TiO₂光催化剂在不使用贵金属助催化剂的条件下,其光催化固氮合成氨性能比纯TiO₂有明显提升。进一步对光催化机理的深入系统研究表明,这种显著增强的光催化活性归因于F-Vo-TiO₂光催化剂具有较强的疏水亲气性能,本工作表明通过调节光催化剂的疏水亲气性能可以明显提升其光催化固氮合成氨性能。2.Cu掺杂缺陷型TiO₂与Cu₂S异质结的构筑:首先采用溶胶凝胶法制备出Cu掺杂的TiO₂（Cu:TiO₂）纳米粒子,再通过Na BH₄还原Cu:TiO₂纳米粒子,在TiO₂表面形成金属Cu纳米颗粒和氧缺陷层（R-Cu:TiO₂）;其次将形成的R-Cu:TiO₂进行硫化,使表面的金属Cu纳米颗粒转化为Cu₂S,最后形成Cu掺杂缺陷型TiO₂与Cu₂S异质结（S-R-Cu:TiO₂）。实验结果表明,最终制得的S-R-Cu:TiO₂光催化剂在不使用贵金属助催化剂的条件下,其光催化固氮合成氨效率比纯TiO₂提升8倍。进一步对光催化机理的深入系统研究表明,S-R-Cu:TiO₂光催化活性的显著增强归因于多组分体系的协同效应,S-R-Cu:TiO₂可以提高电荷分离效率并扩大光吸收范围,本工作表明制备多组分光催化剂体系将明显提升光催化固氮合成氨性能。在本文中,我们设计构筑了两种高性能合成氨光催化剂,分别为表面疏水化的缺陷型TiO₂纳米材料和Cu掺杂缺陷型TiO₂与Cu₂S异质结,研究表明在不使用贵金属作为助催化剂的情况下可以明显提升光催化固氮合成氨性能,这必将为今后研究低成本高性能合成氨催化剂奠定基础。我们相信,不久的将来将开发出更多性能优异的新型廉价高性能合成氨的光催化剂。