近年来,环境污染和能源短缺已经成为世界各国亟待解决的两个重大问题。半导体光催化氧化技术因其氧化还原能力强、能直接利用太阳能等特性,而成为一种有效治理环境污染和高效利用太阳能的理想途径。在众多半导体光催化材料中,二氧化钛(TiO2)因其成本低廉、无毒性、且具有很强的光催化活性、化学稳定性等优点,在污水治理、空气净化、光分解水制氢等领域有着广泛的应用前景。TiO2光催化剂在光催化降解过程中的催化氧化性能取决于它的晶相、结晶度、晶粒尺寸、比表面积、形貌结构等诸多因素。因此,深入研究TiO2光催化材料及其复合材料的可控合成、微观特征(形貌、尺寸、比表面积、孔结构等)与性能之间的关系,对于改善其光催化性能极其重要。本实验针对TiO2形貌的可控制备及掺杂改性进行了大量研究。其主要研究内容如下:(1)以Ti(SO4)2粉末为前驱体,采用简单易行的固相热分解法制备了具有高催化活性的锐钛矿型TiO2微米球。在紫外光照射下,以难生物降解染料罗丹明B(RhB,20 mg/L)溶液和持久性有机酚类化合物4-硝基酚(4-NP,10 mg/L)溶液作为模拟污染物,评价了锐钛矿型TiO2微米球的光催化性能,并提出了锐钛矿型TiO2微米球形成的可能机理。研究了焙烧温度和焙烧时间对TiO2微米球形貌及光催化性能的影响,结果表明,在温度高于600°C时可成功制备出锐钛矿型TiO2微米球,初始TiO2晶核的产生是由于Ti(SO4)2粉末的快速分解,然后通过聚合和再结晶过程,从而形成锐钛矿型TiO2微米球。当焙烧温度由600°C上升至900°C,TiO2微米球的结晶度和孔径尺寸会逐渐升高,而其比表面积则会逐渐降低。实验结果表明,TiO2微米球的结晶度和比表面积对其光催化降解活性具有显著的影响。在700°C条件下焙烧6h所制备的TiO2微米球展现出最佳的光催化性能和良好的光催化稳定性。(2)采用水热超声辅助法合成了高活性、可见光响应的g-C3N4/Ti3+-TiO2复合光催化材料,并研究了所合成样品在可见光照射下对水溶液中RhB的光催化降解性能以及重金属Cr(Ⅵ)的光催化还原性能。通过多种测试表征手段对g-C3N4/Ti3+-TiO2复合光催化剂的物相组成、元素价态、表面微结构、光吸收性能等进行了分析,并探讨了其可见光催化降解RhB及可见光催化还原Cr(Ⅵ)的机理。光催化活性实验结果表明,相对于单一相的g-C3N4和Ti3+-Ti O2,混合相g-C3N4/Ti3+-TiO2对RhB的光催化降解及Cr(Ⅵ)的光催化还原具有更高的可见光催化活性,且当g-C3N4和Ti3+-TiO2质量比为0.06时,复合光催化剂具有最高的可见光催化活性。这可能是由于g-C3N4的引入能拓宽Ti3+-TiO2的光吸收范围,Ti3+-TiO2颗粒上共暴露的{101}和{001}面可能形成表面异质结结构以及Ti3+掺杂诱导TiO2带隙中产生杂质能带,这都有助于光生载流子的分离与转移,从而提高可见光催化活性。此外,复合光催化剂的纳米片状形貌和双介孔结构可以为光催化反应提供更多的活性位点,从而进一步提高可见光催化反应效率。自由基捕获实验结果表明,g-C3N4/Ti3+-TiO2复合纳米片光催化剂降解RhB过程中的主要活性物种是空穴(h+)和?O2–自由基。