TiO₂半导体化合物由于其无毒、廉价、高活性和稳定性而在光催化领域广泛应用。然而,较宽的禁带宽度（Eg=3.0-3.2 e V）决定了TiO₂只能在紫外光下发生光催化过程,这部分光能仅占太阳能中总能量的3⁴%,而占40%之多的可见光无法充分利用。同时,光生电子-空穴的复合,也是导致TiO₂光催化效率较低的重要原因。为拓宽光吸收范围及增强光生载流子的寿命,本文设计制备了不同TiO₂基异质结和掺杂的半导体复合物材料,研究了异质结等界面结构和元素掺杂对TiO₂光催化性能的影响,主要研究内容如下:一、TiO₂基异质结等界面结构的构建（1）以阳极氧化法制备了TiO₂纳米管阵列,并用CVD法在其上部沉积一层Si膜,退火后获得晶化的Si膜/TiO₂纳米管阵列复合结构,构建的Si/TiO₂异质结可吸收紫外光及可见光,增加了光吸收范围;另外,Si膜覆盖下的TiO₂纳米管阵列可以多次反射入射光,通过延长光的有效路径增加对光的吸收。实验结果表明:相比TiO₂纳米管阵列,Si膜/TiO₂纳米管阵列复合结构光催化还原CO₂制备甲醇等有机碳氢化合物的效率提高了39.2%。这是由于Si/TiO₂异质结有效提高了电子空穴的分离能力,进而提升了其光还原CO₂的活性。（2）通过阳极氧化法制备得到管长约500 nm,管径约80 nm,壁厚约16 nm的TiO₂纳米管阵列,在TiO₂纳米管阵列上电化学沉积Si纳米颗粒,制得Si/TiO₂异质结纳米复合结构。研究表明,该复合结构中的Si/TiO₂异质结可提高对可见光的吸收率和光电流强度,并有效提高电子-空穴的分离效率。其在氙灯照射下对罗丹明B的降解动力学常数是TiO₂纳米管的1.78倍。（3）通过一步水热法制备了Ag/TiO₂复合物,构建了Ag/TiO₂肖特基结。其在可见光区的光吸收强度明显增强。光催化降解罗丹明B的实验表明:Ag/TiO₂的光降解动力学常数为TiO₂纳米片的3.88倍。这是由于Ag/TiO₂肖特基结的构建有效提高了光生电子和空穴的分离效率。（4）通过柠檬酸碳化法在TiO₂纳米片上负载石墨烯量子点,构建了TiO₂/GQDs异质结。在可见光区的光吸收强度明显增强。光降解罗丹明B实验表明,异质结可使复合材料在全光谱及可见光照射下都具有较强的光催化性能。其机理为:在全光谱照射下,GQDs可以有效转移TiO₂价带电子,提高光生载流子的分离效率,从而提升其光催化性能;在可见光照射下,GQDs可吸收可见光并被激发产生光生电子空穴,在TiO₂/GQDs异质结作用下光生电子迁移至TiO₂导带上发生光催化反应,使其在可见光下具有较好的光催化活性。二、TiO₂基光催化剂的Ti³⁺离子掺杂和N掺杂（1）通过Mg热还原Si O₂的方法制备得到Si纳米球,而后采用水热法在硅材料上负载TiO₂纳米片,制备得到Ti³⁺-Si@TiO₂异质结核壳纳米结构。由于Si/TiO₂异质结的构建和Ti³⁺离子掺杂,Ti³⁺-Si@TiO₂对可见光的吸收比TiO₂纳米片有明显增强,光降解罗丹明B的效率为TiO₂纳米片的2.1倍,还原CO₂制备CH4的效率也明显高于TiO₂纳米片。这是由于Si/TiO₂异质结降低了光生载流子的复合,提高了光生载流子分离效率,而Ti³⁺离子可有效吸收可见光并激发产生光生电子迁移到TiO₂导带,提高了光生载流子浓度和光利用率的缘故。Ti³⁺离子掺杂是由Si纳米球与HF酸在水热的作用下产生的H2对TiO₂部分还原形成的。通过调节水热温度和Si的加入量,可有效调节Ti³⁺离子掺杂浓度和Si/TiO₂异质结数量,进一步改善其光催化性能。实验表明,在水热温度为180℃,Si的加入量为0.3 g时,可以得到光催化活性最佳的Ti³⁺-Si@TiO₂核壳异质结纳米复合材料。（2）用Ti粉,HCl和HF水热反应制备得到Ti³⁺离子掺杂截断双椎体锐钛矿相TiO₂纳米结构,使TiO₂光吸收范围由紫外光区拓展到可见光区。Ti³⁺离子掺杂的TiO₂-HF与未经掺杂的TiO₂-HF和TiO₂-HCl相比,在光降解MB时表现出更高的活性。这主要归功于其锐钛矿晶相、掺杂的Ti³⁺离子对可见光的吸收以及激发产生光生电子导致光生载流子浓度的增加,进而提高了其光催化活性。水热过程中HF的加入对TiO₂的锐钛矿晶相、截断双椎体结构的生成和Ti³⁺离子的掺杂具有关键作用。（3）通过对TiO₂/GQDs异质结高温退火使GQDs对TiO₂纳米片部分还原,可制备得到Ti³⁺离子掺杂的TiO₂/GQDs异质结(Ti³⁺-TiO₂/GQDs)。Ti³⁺-TiO₂/GQDs除保留部分TiO₂/GQDs异质结外,还在TiO₂纳米片表面产生了很多凹坑缺陷。与TiO₂/GQDs异质结相比,Ti³⁺-TiO₂/GQDs在氙灯全光谱及可见光照射下都具有较强的光催化性能。这是由于该样品除了具有TiO₂/GQDs异质结界面对光生电子和空穴的分离作用和GQDs在可见光区的光响应以外,其Ti³⁺离子的掺杂还可改善其表面的亲水性,提高其对罗丹明B的吸附,从而提高了其光催化性能。（4）采用含能材料HMX爆炸法对TiO₂纳米片进行Ti³⁺离子和N元素掺杂,制备得到Ti³⁺离子和N元素共掺杂的多孔TiO₂纳米片,通过调节HMX投入量可以调节Ti³⁺离子和N元素的掺杂浓度。研究表明:Ti³⁺,N-多孔TiO₂纳米片样品在可见光区的光吸收强度明显提高;可见光照射下,Ti³⁺,N-多孔TiO₂纳米片样品可有效降解罗丹明B,且Ti³⁺离子和N元素的掺杂浓度适中时,其光催化活性最高。这是由于Ti³⁺离子掺杂易形成缺陷中心,使光生电子空穴被俘获重新复合;而且Ti³⁺离子和N元素的掺杂在TiO₂导带和价带间形成了新的能级,有效缩短了禁带宽度,使其可在可见光激发下产生光生载流子发生光催化反应,另外,其多孔性和Ti³⁺离子产生的亲水性有效提高了其对罗丹明B的吸附作用,也是其在可见光下具有较高光催化降解活性的重要因素。