随着经济的快速发展,环境污染问题越发严重,特别是大气污染问题最为突出。典型的大气污染物如易挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物,它们虽然浓度低,但是易于快速大规模扩散,导致修复治理难度很大。光催化氧化技术可以利用太阳能和空气中的氧气,进行污染物的氧化分解而备受关注。但是,作为最具代表性的半导体光催化材料,Ti O₂仅能被紫外光激发且光生载流子复合率高,导致其光催化性能较低。本文通过在Ti O₂空心微球（Ti O₂-HMSs）表面引入氧空位和单原子助催化剂的方式,提高其光催化空气净化性能。本论文的主要研究内容如下:1、表面氧缺陷Ti O₂空心微球光催化氧化NO:空心结构的Ti O₂具有低密度,良好的光反射能力和优异的渗透性而备受关注。但是Ti O₂带隙较宽（锐钛矿型Ti O₂约为3.2 e V）和光生电子-空穴对快速复合,限制了Ti O₂大规模的实际应用。本工作通过简单的煅烧钛酸氢盐空心微球（H₂Ti O₃-HMSs）的混合物,将氧空位（OV）引入到Ti O₂空心微球（Ti O₂-HMSs）的表面上,制备得到表面氧空位Ti O₂空心微球（OV/Ti O₂-HMSs）。结果显示,优化的OV/Ti O₂-HMSs样品表现出增强的可见光NO催化去除效率（53.0%）,是纯Ti O₂-HMSs和纯氮化碳（g-C₃N₄）样品活性的1.94和2.12倍。DFT理论计算结果说明:（1）OV的引入诱导缺陷态的产生,导致Ti O₂的禁带宽度缩小并产生二次吸光过程,进而扩展Ti O₂光响应范围;（2）OV可以使Ti O₂晶格发生畸变,从而影响内建电场的大小,从而改变促进光生载流子分离;（3）OV的引入降低了Ti O₂-HMSs表面上NO和O₂的吸附能,进而促使NO和O₂活化,也促使产生更多的活性氧物质超氧自由基（·O^-₂）和羟基自由基（·OH）,从而显着地促进NO的可见光光催化氧化。2、单原子Au修饰Ti O₂空心微球:单原子位点光催化剂由于其好的的光催化性能而备受关注。然而,由于单原子在合成和光催化过程中容易聚集,所以制备具有优异稳定性单原子光催化剂仍然是主要的挑战。我们利用Ti O₂-HMSs表面上的氧缺陷来锚定单原子金,得到单原子Au修饰的表面氧缺陷Ti O₂空心微球（Au-SA/DT）。实验结果显示,Au-SA/DT空心微球表现出优越的气相丙酮光催化氧化性能(丙酮的氧化去除量为214.2 ppm h^-1),其活性是金纳米颗粒负载的普通Ti O₂-HMSs（Au-NP/PT）的2.8倍(丙酮的氧化去除量75.6 ppm h^-1),也远高于普通Ti O₂-HMSs（PT）(丙酮氧化去除量67.8 ppm h^-1)和氧缺陷Ti O₂空心微球（DT）(丙酮氧化去除量47.6 ppm h^-1)的光催化活性。DFT理论计算结果表明:（1）Au-SA/DT表面形成了Ti-Au-Ti键,且电子从Ti原子转移到Au金原子（形成局域电子）,从而增加了丙酮的吸附和活化性能;（2）单原子Au的引入,还可以扩展Ti O₂-HMSs的可见光吸收范围,促进光生电子-空穴对分离。结合原位红外测试结果和DFT计算,提出了丙酮在Au-SA/DT表面主要的转化路径:丙酮被吸附和氧化生成乙酸和甲醛,乙酸的脱羧导致形成甲基自由基,也可以转化成甲醛。在活性氧自由基（ROSs）的氧化下,甲醛被进一步氧化成甲酸,最后完全矿化分解成二氧化碳。3、单原子铁修饰Ti O₂空心微球:贵金属单原子虽有良好的反应活性,但是其原料价格昂贵。因此,开发普通过渡金属单原子催化剂,具有非常重要的意义。通过煅烧二羰基环戊二烯铁和Ti O₂-HMSs混合物的简单方法,成功将单原子铁负载在Ti O₂-HMSs表面。优化样品Fe₁/Ti O₂-HMSs（TF50）的NO可见光催化去除效率高达50.1%,是样品纯Ti O₂-HMSs样品活性的2.0倍。DFT理论计算结果表明:（1）单原子Fe改善了Ti O₂表面电子结构性质,通过形成Ti-Fe键将单原子Fe的电子传递给周围的Ti原子,从而增强了对NO和O₂的吸附与活化;（2）单原子Fe分散二氧化钛表面时,会形成新的杂质能级,该杂质能级主要由Fe 3d轨道和Ti 3d轨道构成,进而增加可见光吸收能力。单原子Fe分散二氧化钛表面提高了光生载流子的分离效率,进而促进了NO的氧化。利用原位红外表征,提出了模型污染物分子NO在Fe₁/Ti O₂表面的光催化氧化路径。