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本论文针对光催化领域的光吸收、载流子分离、表界面反应等三大关键科学问题,以二氧化钛为基础进行负载、掺杂、晶面调控、复合等手段进行改性,以期探索制备高效、廉价、稳定的宽光谱响应光催化剂,为其规模化应用提供基础数据和理论支持。1.以钛酸四正丁脂为原料合成{001}-{101}双晶面暴露的锐钛矿TiO2,在此基础上,首次采用原位光解的方法制备了 SAg-TiO2。通过调节光照时间、波长,温度等条件,在Ti02{001}-{101}晶面成功负载大小均一、粒径可控的Ag纳米颗粒。与传统光沉积办法制备的PAg-TiO2和纯TiO2相比,SAg-Ti02可见光降解RhB的效果分别提高了 10和21.3倍,且表现出粒径依赖的光催化活性及长效的光稳定性。这种新型光解的办法为如何高效利用贵金属开辟了一种新的途径。2.合成了 3种不同{001}/{101}晶面比例的TiO2锐钛矿样品,并以之为原料,采用经典的光沉积办法在双晶面上分别负载助催化剂Ag及MnOx。首次采用高分辨XPS研究了助催化剂与锐钛矿界面的作用模式。结果表明,不同晶面百分比的锐钛矿与助催化剂在界面处的连接方式各不一样,因而导致载流子分离效率和光催化还原C02的性能不同。助催化剂与TiO2(20%{001}晶面暴露)的锐钛矿无紧密的化学键作用,TiO2(40%{001}晶面暴露)的样品与助催化剂MnOx可以形成强的Ti-O-Mn化学键,而TiO2(60%{001}晶面暴露))主要是与表面吸附的H20或-OH形成Ti-O-H键。PL、瞬态荧光及VB谱表明界面间强的化学键作用能够提高空穴的流动速率及载流子分离效率,最终提升还原CO2效率。这一研究结果为我们理解晶面工程与助催化剂界面作用提供了实验和理论的支持。3.首次将半导体TiO2纳米颗粒以温和的条件大量的灌注到MOF孔道内。在紫外光的照射下,其光催化产CO及CH4的效率高达9200umol/g.h和1900umol/g.h,约为纯Ti02的上千倍。机理研究表明:MOF在整个复合光催化剂中起到了至关重要的作用。Ti02限域生长在MOF孔道中极大的增加了半导体与MOF的接触界面,增加载流子分离效率。Ti02-in-MOF复合材料的制备和应用为实现高效还原CO2,深入理解和构筑新型光催化剂提供了一个范例。4.以锐钛矿TiO2为原料,通过碱溶的办法在合成过程中一步引入Ag源和Cu源,制备出具有全光谱响应的(200-2500nm)光催化剂。该催化剂首次实现了在红外光的条件下高效的将N2转化为NH3。对其组分的研究结果表明:Cu掺杂的Na2Ti03作为主体能够高效的吸收波长在1200nm以下的光;体相中存在的CuO不仅能够吸收可见到红外波段的光,而且与主体能够形成Ⅱ型异质结,有效的分离电子空穴;体相中的Ag颗粒与CuO紧密联系,加速电子从CuO转移到Ag上,并最终富集在表面的Ag纳米颗粒上以用于还原N2。有鉴于此,该研究为如何设计合成宽光谱催化剂用于高效固氮打开了新的思路。