近年来，以TiO₂半导体为光催化剂的多相光催化氧化技术因其能够有效降解污染物而倍受青睐。但是，目前以TiO₂为基础的光催化技术还存在量子效率低、太阳能利用率低等难题，如何解决这些难题仍是许多科研工作者所面临的重大挑战。掺杂是提高催化剂光催化性能的有效途径，其中稀土元素因其具有的特殊电子结构，可以捕获电子，抑制电子-空穴对的重组，能有效地提高纳米TiO₂的光催化活性。目前，对纳米TiO₂进行稀土金属元素掺杂主要是单一元素掺杂，双稀土金属元素掺杂的TiO₂光催化剂研究较少。此外，传统的溶胶-凝胶法会造成纳米TiO₂颗粒在煅烧过程中团聚，容易形成较大的粒子，在溶胶-凝胶法的基础上改进可以很好地减少团聚现象。本文采用改进的溶胶-凝胶法（即超声辅助溶胶-凝胶法）制备了稀土元素La、Sm、Y以及类钛元素Zr掺杂改性的TiO₂纳米光催化剂。在紫外可见光的照射下，以甲基橙为目标降解物考察其光催化活性。考察了掺杂物的种类、掺杂物浓度、煅烧温度等参数对TiO₂光催化活性的影响，着重比较了单元素掺杂及双元素掺杂的不同。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、紫外-可见漫反射吸收光谱（UV-vis DRS）、X-射线光电子能谱（XPS）等对光催化剂进行表征，探讨了光催化剂的晶体结构、晶体形貌、光吸收能力、化学组态等方面的物理化学性质。研究表明：（1）分别采用溶胶-凝胶法和超声辅助溶胶-凝胶法制备纯纳米TiO₂。实验结果显示：超声辅助溶胶-凝胶法制得样品的光催化活性明显高于传统溶胶-凝胶法的。这是由于对样品进行超声，可以提高TiO₂颗粒的分散性，增大与底物的接触面积，从而提高纳米TiO₂的光催化降解效率。（2）以硝酸镧、硝酸钇、硝酸钐、硝酸锆为掺杂剂，采用超声辅助溶胶-凝胶制备La、Y、Sm以及Zr单元素掺杂纳米TiO₂。主要考察其掺杂浓度、煅烧温度对光催化活性的影响。实验结果表明：单元素掺杂均可以大大提高纳米TiO₂的光催化活性。0.5%La-TiO₂、0.5%Y-TiO₂、0.5%Sm-TiO₂、0.3%Zr-TiO₂的光催化降解效果最好。这是因为掺杂浓度影响电子-空穴对的分离效果。当掺杂浓度过低时，不能形成足量的捕获载流子的浅势阱，电子和空穴对不能最大限度地分离，光催化活性较低；当掺杂浓度过高时，掺杂元素可能成为电子和空穴对的复合中心，增大电子、空穴的复合率，从而降低光催化活性。所有样品的最佳煅烧温度均为500℃。（3）单元素掺杂总会存在一些诸如氧空穴和表面缺陷导致的电荷不平衡等不利因素，然而，双元素掺杂可以在晶格中通过电荷补偿方式弥补这一不平衡。在最佳掺杂浓度、最佳煅烧温度的条件下，利用超声辅助溶胶-凝胶法制备了双稀土金属元素掺杂纳米TiO₂（La/Y-TiO₂、Sm/Y-TiO₂、Sm/Zr-TiO₂）。与相应的单掺杂相比，可以发现：La/Y-TiO₂、Sm/Zr-TiO₂的光催化活性大大增大，这是由于稀土稀土元素La和Y、稀土类钛元素Sm和Zr各自的协同作用促进TiO₂表面·OH的形成，增强其氧化还原能力，进而提高光催化活性。而Sm/Y-TiO₂的的光催化活性比Sm-TiO₂、Y-TiO₂低，这是由于Sm、Y的同时掺杂抑制了光生电子和空穴的有效分离，从而使光催化活性降低。（4）基于第一性原理，采用CASTEP模块计算La、Y、La-Y、Zr掺杂锐钛矿TiO₂的电子结构和光学性质。通过理论分析发现，掺杂可以在TiO₂的带隙中引入中间杂质能级，使得电子跃迁变得容易，光吸收边向可见光区移动，光催化活性增强，理论与实验结果一致。