该论文从光催化剂的研究入手,在温和条件制备具有二氧化钛纳米晶的基础上,建立了水溶胶相光催化反应体系;鉴于拓宽光谱响应的要求,采用镧系金属离子与光敏染料修饰的两种方法对二氧化钛进行可见光的光敏化改性研究;反应器是多相光催化氧化技术实际应用的前提,在充分研究二氧化钛光催化作用因素的基础上设计研制了高效光催化反应器.所有这些研究的根本目的是寻求可以适合实际工程应用的、性能优异的高效光催化反应体系与装置.其主要研究工作如下:1.改进二氧化钛纳米晶的制备技术.改变传统的高温烧结处理制备二氧化钛纳米晶的方法,采用化学共沉淀-胶溶法,在温和条件下就可以制备出颗粒小、分散性好、晶体相完整的二氧化钛纳米晶.2.建立新的多相光催化反应体系.在实验制备锐钛矿型晶体结构二氧化钛溶胶颗粒的基础上,建立了效能更高的水溶胶相光催化反应体系,它整合了悬浮相反应体系与固定相反应体系的优点.3.研制以可见光为驱动力的光催化技术.采用具有多变价特性的镧系金属离子(Eu<3+>,Nd<3+>,Ce<4+>)对二氧化钛进行表面修饰与晶格掺杂的改性研究,改变二氧化钛宽带隙能结构,可以直接降低二氧化钛激发能;另外,采用光能转化效率更高的光敏染料对二氧化钛纳米晶进行异质敏化修饰,可以间接降低二氧化钛激发能.这两种敏化方法大大拓宽了催化剂的光谱响应范围,使改性二氧化钛具有很好的可见光光敏化-光催化活性.4.提高多相光催化反应的效率.镧系元素修饰二氧化钛后改变了溶胶颗粒的表面电荷特性与表面电子陷阱特性,极大地促进了二氧化钛催化剂对有机物的界面吸附效果以及二氧化钛颗粒表面对光生电子捕获能力,使多相光催化反应可以更有效地进行.在相同实验条件下降解有机染料的实验中,可见光激发ion-TiO<,2>纳米晶的光催化活性优于纯TiO<,2>纳米晶.5.探讨激发光源对二氧化钛光催化反应效率的影响.在Dye/TiO<,2>或Dye/ion-TiO<,2>的水溶胶反应体系,紫外光和可见光都能有效激发染料进行光催化降解反应,但是由于降解机理上的差异导致在紫外光作用条件下的降解效率明显优于可见光作用条件下的调解效率.激发电子在传输和转移路径上,两者有本质的区别,紫外光激发下的直接光催化氧化作用中,电子可以直接由TiO<,2>价带被激发至导带;可见光激发下光敏化-光催化氧化作用中,电子首先在染料分子上被激发至激发态,然后激发电子再由染料分子转移到TiO<,2>导带.而不同主波长的紫外光对TiO<,2>或ion-TiO<,2>光催化反应效率影响很小.6.提出多次循环回用纳米颗粒光催化的新方法.利用二氧化钛溶胶对酸碱度很敏感,通过改变水溶胶相反应介质pH值的方法可以有效实现二氧化钛纳米颗粒的回收和再分散效果,使得二氧化钛水溶胶相光催化反应可以循环进行下去,很好地克服了二氧化钛纳米颗粒在水介质中回收-回用问题.7.提出可见光敏化二氧化钛的光催化-光降解反应机理.通过采用光电化学特性实验来表征Dye-TiO<,2>(or ion-TiO<,2>)异质相界面的电子转移过程,对二氧化钛纳米晶催化降解光敏类有机物(染料分子)与非光敏类有机物(苯酚)的各种光催化氧化反应体系进行研究,提出了可见光激发下光催化降解有机物的反应机理:染料敏化二氧化钛的光敏化-光催化降解作用机理、镧系离子晶格掺杂二氧化钛的自敏化-光催化降解作用机理以及镁系离子修饰二氧化钛对非光敏类有机物实现二氧化钛表面亚能级结构的光敏化-光催化降解作用机理.8.设计出高效低能耗的光催化反应器.优化多相光催化过程中影响传光、传质效率的各种关键因素,设计了基于固定相纳米二氧化钛薄膜的多重石英管分布式光催化模型反应器,在此基础上放大设计了工业应用型光催化反应器,并对效能更高的集成型管光反应器与光纤型反应器进行了初步的探讨.