二氧化钛(TiO2)具有高效、无毒、化学性质稳定和成本低的优点,使其成为一种广泛应用于降解有机污染物、电催化、太阳能电池以及自清洁的光催化剂。由于光催化剂性能是由光谱响应范围、光子转换效率、光生载流子有效分离与快速迁移之间的协同效应所决定的,所以在TiO2光催化过程中仍有一些限制:(1)TiO2的宽带隙(3.2 eV)意味着想要激发TiO2价带中的电子到导带,需要光子具有足够的能量(紫外区,λ≤387 nm),这限制了对阳光的有效利用;(2)激发的电子和空穴会产生复合,且载流子复合的时间(10 ns～100ns)比电荷转移的时间(100 ns～lms)要短得多,因此,大量光生载流子在迁移到粒子表面之前就复合而消失,不利于光催化降解反应。而且TiO2形貌、晶粒大小以及暴露晶面的不同,都对光催化降解反应有很大影响。这些都是实际应用中需要解决和值得进一步研究的问题。为了进一步改善Ti02的光催化性能以及揭示光催化机理,我们通过掺杂以及复合的方法对Ti02进行了改性研究,主要研究内容和结果如下:1.为了揭示掺杂元素平均化合价对光催化性能的影响,我们制备了 Ta和Rh共掺杂Ti0.96Ta004-xRhxO2(x=0、0.008、0.016、0.02、0.024、0.032和0.04)样品,并分别在450 ℃和800 ℃下晶化;然后将800 ℃结晶的样品(x=0.02)分别于600 ℃、700 ℃、800 ℃和900 ℃下,在H2/N2混合气体中进行还原。Rh和Ta的化合价通常为+3价和+5价,且离子半径均为0.68A,与Ti02中Ti4+的离子半径相等。因此,通过改变Ta和Rh的浓度,平均离子半径变化将很小,而Ta和Rh的平均化合价可以在+3价至+5价的范围内调整。在不同温度条件下,Ta均保持+5价而Rh的化合价产生变化。Rh在450 ℃结晶样品中显示为Rh3+和Rh4+,并在800℃结晶样品中完全氧化成Rh4+;在还原样品中,Rh以Rho、Rh3+和Rh4+的形式存在。在450 ℃的结晶样品中,具有高比率的Ta5+(94.4%)和Rh3+/Rh4+(0.95)的样品(x=0.02)表现出最佳的光催化性能。对于800℃结晶的样品,Rh3+完全氧化成Rh4+,且与450 ℃结晶样品以及还原的所有样品相比,Ta5+的比例变小;相应地,这些样品表现出最差的光催化性能。对于在所有样品中具有最佳光催化性能的800 ℃还原样品(x = 0.02),其Rh3+/Rh4+比率具有2.11的最大值。可以得出结论,通过增加Rh3+/Rh4+的比例或控制掺杂Rh和Ta的平均化合价使之接近+4价,可以显著提高Ti0.96Ta0.04-xRhxO2的光催化性能。2.用蒸汽热法分别于180℃和250 ℃对(001)面暴露的Ti02进行不同S/Ti摩尔比掺杂,实现了光催化性能的提高,特别是250℃时S掺杂的效应更显著。并用XRD、TEM、FT-IR、XPS、UV-vis DRS、PL、BET、ESR等手段进行系统表征。180℃掺杂的样品,结构、形貌、成分(化学态)与性质几乎没有变化,说明这个温度不足以实现S掺杂。当掺杂温度为250℃时,S掺杂产生的效应如下:(1)晶体结构产生畸变,晶胞参数之比c/a随S掺杂程度而变化,在S/Ti摩尔比为3时最大。这是因为S元素与被替代元素O和Ti的离子半径不同引起的。(2)粒子的形貌改变,且粒子聚集,导致比表面积减小。(3)S掺杂使TiO2对污染物MB的吸附系数Ae由0.9%提高到68.5%,吸附系数主要由氧空位的数量决定,此外TiO2粒子表面吸附的SO42-以及孔径大小对吸附系数也有影响。(4)S掺杂使TiO2对MB的降解速率常数由6.9×10-2 min-1增加到18.2×10-2 min-1,相应的样品具有较高的·OH和·O2-自由基数量。3.在250℃水蒸气环境中,将(001)面暴露的Ti02,即(001)-TiO2与CuO进行复合。改变Cu/Ti摩尔比RCu/Ti,合成系列CuO/(001)-TiO2复合物。用XRD、TEM、BET、光催化降解、UV-vis DRS、XPS、PL和ESR进行了系统的表征。通过数据分析可以得出以下结论:(1)通过蒸汽热法,实现CuO与(001)-TiO2间的紧密接触并构成异质结,使Ti02的价带顶上移,促进了光生载流子的分离。(2)CuO的带隙(1.7 eV)小于Ti02带隙(3.2 eV),通过复合可以促进对可见光的吸收。(3)复合物中,适量CuO对光催化起促进作用,但过量的CuO会抑制光催化反应。(4)纯(001)-TiO2中存在羟基自由基·OH信号和超氧自由基·O2-信号。复合物中没有探测到羟基自由基·OH信号,在催化反应中超氧自由基·O2-起着主要作用。(5)复合物中存在的少量Cu单质可以起到传输光生电子的作用,对光催化效果有着促进作用。