材料的性能与其组成、结构和制备工艺密切相关。在纳米功能材料研究领域,合理将小尺寸效应、形貌控制和缺陷设计相融合,能够达到对材料性能的设计与控制,在最大程度上发挥各因素间的协同效应,使材料具有最佳性能。环境污染和能源短缺已经成为人类面临的最大挑战。纳米二氧化钛由于出色的光催化性能在催化制氢和处理污染方面有着巨大的前景。然而其对可见光响应差、光生电子和空穴复合快的缺点严重限制了其进一步推广使用。针对以上问题,本论文以晶体缺陷理论和晶体生长理论为指导,以提高纳米二氧化钛的光催化性能及可重复使用性为研究目标,对纳米二氧化钛进行改性研究,在实践中发现问题并解决问题,主要研究工作和成果如下:(1)构建了气-液反应界面,提出一种新颖的气相输运水分子法,结合传统的研磨法制备了颗粒分布均一、晶粒尺寸小的Ag修饰Sn O2/Ti O2复合纳米粉体。样品的光催化性能不随Ag的复合量的增加而线性增加,400℃煅烧的Sn和Ag的摩尔含量分别为1%和0.5%的样品光催化性能最好。测试结果表明Ag与Sn的引入导致晶体中产生了大量的氧空位,且随着Ag的含量的增加,Ti O2的晶体中氧空位的浓度也随之增加。催化机理研究表明,这些氧缺陷一方面能够捕获光生电子,抑制电子—空穴对的复合,促进光催化;另一方面又由于其捕获了能与氧气结合降解亚甲基兰的光生电子,导致光催化性能的降低。(2)实践发现,通常纳米粉体材料因粒径小,而导致的难以从溶液中分离,导致其重复使用性能较差。为了解决这一问题,在晶体缺陷设计的过程中融入了形貌控制手段,通过一种改进的溶胶—凝胶法制备出了棒状N掺杂Ti O2/Ag纳米粉体。整个过程不需要添加表面活性剂,制备过程相对简单、安全、环保。从制备过程中不同阶段的SEM图片发现棒状结构是在煅烧过程中逐渐产生,在完成晶体缺陷设计的同时进行了形貌控制,为制备二氧化钛纳米棒提出了一种新思路。与Ti O2、N-Ti O2和Ag-Ti O2相比,棒状N-掺杂Ti O2/Ag纳米粉体不仅在可见光下催化性能得到很大提高,在光催化速率最高达到纯二氧化钛的3.5倍的同时保持了较好的光催化稳定性,在5次使用后仍然具有较高的光催化活性。这主要归功于N-掺杂和Ag-修饰的协同效应可以提高样品的光催化活性,而棒状结构易于从液体中分离,便于回收利用,可以在很大程度上提高样品的重复使用性。(3)实践发现,纳米Ti O2颗粒聚集成为纳米棒后,将导致比表面积的减小,从而在一定程度上影响其光催化性能。为了解决这一问题,在晶体缺陷设计的过程中融入了形貌控制手段,并且引入了介孔结构,以硝酸铵为氮掺杂的来源,同时作为介孔结构产生的条件,通过一种改进的溶胶—凝胶法制得了N-掺杂介孔Ti O2纳米棒,在完成晶体缺陷设计的同时进行了形貌控制。整个过程不需要添加模板剂,制备过程相对简单、安全、环保。所制得的样品为长约1.5μm,直径约80 nm的纳米棒。介孔的孔径为5-10 nm,比表面积最大可达106.4 m2 g-1。N-掺杂介孔Ti O2纳米棒由于有着较小的禁带宽度、较大的比表面积,显示出了较好的可见光催化活性。同时,样品由于棒状结构的存在也保持了很好的可重复使用性。本文将过程分析融入过程设计,进而完成过程控制的思维理念,为纳米材料制备领域实现多学科交叉提供了方法论。创新性地在晶体缺陷设计的过程中融入了形貌控制的手段,为其他纳米材料功能改性提供参考。