汽车保有量的增加使交通环境问题日益突出,尾气的大量排放对人类健康及城市环境产生严重危害。近年来半导体光催化技术成为治理环境污染的新途径,其中纳米TiO₂以反应条件温和、无二次污染及成本低廉等优势被广泛应用于污染物光降解,然而纳米TiO₂较大的禁带宽度及低量子利用率限制了其应用范围。掺杂是改善TiO₂光催化活性的有效方法,其中稀土元素独特的4f、5d电子能拓宽TiO₂光响应范围、提高量子转换效率,但稀土种类繁多,研发及改进光催化剂工作不确定性大。分子模拟技术可以从原子尺度计算材料电子结构,阐释材料微观及宏观性质,为稀土离子修饰催化剂提供理论依据,预测材料的催化活性。本文采用Materials Studio分子模拟软件构建稀土掺杂TiO₂超晶胞模型,从电子结构角度阐释改性机理并预测改性材料催化活性。以理论计算为基础,以NO气体为目标污染物,采用超声辅助溶胶凝胶法制备了具有可见光活性的稀土改性光催化剂,通过TG-DSC、XRD、SEM、XPS及UV-Vis等表征手段研究了制备工艺对TiO₂催化剂物理光学特性及光催化活性的影响,并探讨了不同条件下材料对NO气体的降解性能。基于第一性原理计算分析了三种稀土掺杂TiO₂的几何结构、能带结构及电荷分布。结果表明,稀土掺杂使TiO₂晶胞膨胀,电荷分布改变,形成有利于光生载流子分离的内电场。掺杂半导体最高占有轨道下移,光生空穴氧化能力增强。稀土La、Ce使TiO₂禁带宽度分别增大到2.299ev及2.27ev,但同时在价带顶部引入了中间能级。稀土 Sm在导带底部引入的杂质能级与导带底交叠使禁带宽度减小到2.16ev。杂质能级有利于光生载流子分离及光吸收范围的拓展,相同掺杂浓度下Sm引入杂质能级密度最大,且其在费米能级上方引入的空轨道能级是电子空穴对的有效浅势俘获阱。以超声辅助溶胶凝胶法制备了La掺杂TiO₂,以NO气体为目标污染物,通过表征手段探讨了稀土掺量、热处理温度及热处理时间对改性催化剂微观结构及光催化活性的影响。0.03%掺量La促进TiO₂晶粒生长,提高掺量TiO₂晶粒细化;La抑制锐钛矿TiO₂相结晶,但并未明显改变金红石TiO₂的相转变温度。掺杂TiO₂表面Ti元素结合能降低,吸附羟基自由基数量增多,La掺杂TiO₂在提高催化剂紫外光区吸光能力同时使光吸收范围红移。正交试验表明,工艺参数对掺杂活性影响由大到小依次为:热处理温度>La掺量>热处理时间,最佳制备条件为:掺量0.5%La,热处理温度550℃、热处理恒温时间2h。La-TiO₂在可见光下具有良好的降解活性,26W紫黑灯及33W卤素灯下La-TiO₂对1.25ppmNO气体降解率分别为65.4%及 76.0%。以超声辅助溶胶凝胶法制备了Sm掺杂TiO₂催化剂,研究了制备工艺对改性催化剂微观结构及光催化活性的影响。Sm掺杂扩宽了 TiO₂相变区间,但相变抑制作用弱于La。稀土 Sm使TiO₂晶粒细化,掺量越大细化越明显;温度升高粒径增大,但增大幅度小于La掺杂TiO₂。XPS分析表明,Sm掺杂使部分Ti4+转变为Ti3+,O/Ti比降低,氧空位及吸附羟基数增大。UV-Vis测试表明,Sm掺杂提高了 TiO₂在紫外光区吸光强度,且较La更大程度的扩展了催化剂长波方向光吸收阈值,0.3%掺量下光吸收红移范围最大。正交设计试验表明,对光降解活性影响由大到小的工艺参数依次为:Sm掺量>热处理温度>热处理恒温时间,最佳改性工艺为:掺量0.2%Sm,热处理温度550℃,热处理恒温时间3h。Sm掺杂TiO₂具有较优光催化活性,26W紫黑灯及33W卤素灯下1.25ppm NO气体降解率分别为74.85%及86.52%,可见光下0.5ppm NO降解率可达98.2%。随NO气体浓度增加光催化活性下降,但光降解总量提高。