半导体光催化是一门集光学、电化学、材料学、表面化学和催化化学于一体的综合性学科,其特征是半导体材料通过有效吸收光能产生具有极强氧化能力和还原能力的光生空穴和电子,在催化剂表面发生直接或间接的氧化或还原反应。半导体光催化引起科学界普遍兴趣的主要原因在于其对能源利用和环境净化问题的潜在价值。半导体光催化研究已开展30多年,取得了一些研究成果,但仍然存在许多必须解决的关键性问题。从基础研究的角度来说,高效的半导体光催化剂仍需进一步探索。TiO₂以其无毒、催化活性高、化学稳定性好、价廉易得及可直接利用太阳光等优点受到人们的重视。然而其较宽的禁带宽度和较低的量子效率仍然是限制其发展的主要原因。而研究表明,通过调变TiO₂的形貌结构对于改性和提高其催化性能有着重要的影响。本实验室已从事多年的催化剂设计和开发工作,在催化剂结构和活性的内在联系研究方面积累了较多的经验。针对本实验室的实际情况和光催化领域存在的实际问题,我们从催化剂的形貌和结构入手,通过对制备方法和制备条件的优化,合成了具有不同形貌和结构的TiO₂光催化剂,并探究其形貌和结构对活性的影响,为进一步发展实用性光催化技术积累经验。本论文主要开展了以下三方面的工作:1、醇热方法合成特殊形貌结构TiO₂及其光催化性能研究以TiOSO₄为前驱体,乙醇和丙三醇为溶剂,采用溶剂热方法,通过调变反应溶液的性质,制备各种特殊形貌结构的TiO₂光催化剂,包括片状、核壳结构,中空结构以及实心微米球等。研究表明,醇溶剂的性质对于催化剂的形貌结构起着决定的作用,而且不同形貌结构对于TiO₂的光催化性能有着重要的影响。将各种形貌结构的TiO₂光催化剂应用于苯酚降解实验中,中空结构TiO₂微米球由于其较大的比表面积及空腔效应导致其光催化活性明显优于其它形貌结构TiO₂。2、多级花状结构TiO₂的合成及其Bi₂O₃可见光修饰以TiCl₄为前驱体,利用简单的溶剂热方法,不借助任何的表面活性剂或者硬模板制备了具有多级花状结构TiO₂。这种特殊的多级花状结构是由片层相互交错、组装而成的。研究结构表明,这种特殊的多级花状结构有利于提高TiO₂催化剂的光吸收,有利于增加作为光催化活性位的空穴,从而提高光催化活性。Bi₂O₃物种的修饰可以显著提高多级花状结构TiO₂在可见光区光催化活性。而原位合成Bi₂O₃修饰TiO₂催化剂的方法既保留了样品的多级花状结构,使光在催化剂的内部可能存在折射、反射效应,提高了催化剂对光的吸收,从而提高了催化剂的量子效率。当Bi/Ti摩尔比为3.3 %,Bi₂O₃的修饰作用最佳,其可见光照射下降解对氯苯酚的活性高达75 %。3、（001）高能面暴露纳米单晶TiO₂的合成及其光催化性能研究利用溶剂热,以TiF₄为前驱体,叔丁醇为溶剂,制备了（001）高能面暴露纳米单晶TiO₂。采用FESEM、TEM、XPS和XRD等测试手段,对产物形貌和组成进行了详细的分析和表征。结果表明,该方法合成的纳米单晶TiO₂呈单分散板状介观形貌,且尺寸均一（15-20 nm）。与传统微米级二氧化钛单晶相比,该材料具有更大的比表面积(SBET = 10⁶ m²·g^-1)以及更多暴露的（001）高能晶面。该样品在甲基橙降解实验中显示了良好的光催化活性。