氨是现代社会重要的化学品之一,目前主要是通过“Haber-Bosch”法以N₂和H₂为原料在高温高压的条件下合成NH₃。光催化固氮是以水和N₂为原料在常温常压的条件下制备氨,因此受到人们的广泛关注。光催化固氮技术的核心是高效光催化材料的设计与制备。目前已有多种半导体光催化材料被报道用于固氮研究,但这些材料的光催化固氮活性仍不理想。其中,二氧化钛（TiO₂）因其结构稳定和高紫外光利用率等优点,在光催化领域备受关注。但较宽的带隙（3.0-3.2 eV）限制了TiO₂在光催化固氮领域的研究。因此,如何进一步提升TiO₂光催化固氮活性,阐明其光催化固氮机理具有重要的研究价值。本文通过TiO₂表面缺陷的构筑,优化材料光生电荷分离效率和对N₂的吸附活化能力。此外,通过g-C₃N₄、Ti₃C₂材料与TiO₂构筑异质结复合材料,进一步促进光生载流子迁移、分离,显著提升其光催化固氮活性,并揭示可能的反应机理。具体研究内容如下:首先,通过溶剂热法制备TiO₂前驱体,然后通过程序升温辅助NaBH₄还原制备富缺陷TiO₂（TiO₂-OV）纳米颗粒。运用X射线粉末衍射、红外光谱、拉曼光谱和透射电镜等表征手段分析制备TiO₂材料的结构、组成和形貌。通过电子顺磁共振技术确认TiO₂表面氧空位的存在。光催化固氮实验表明TiO₂-OV具有优异的光催化固氮活性(38.2mmol·L^-1),其活性约为未改性TiO₂的2倍(22.8mmol·L^-1)。紫外-可见漫反射光谱结果表明,缺陷的引入可以有效提升材料的光吸收性能。电化学阻抗、光电流结果证明缺陷结构的构筑有利于提高材料光生载流子分离效率。同时,线性伏安曲线结果表明TiO₂-OV比TiO₂具有更强的N₂吸附活化能力。表面缺陷改性可以实现TiO₂材料光吸收性能、载流子分离效率和N₂活化三重优化,显著提升光催化材料的固氮活性。其次,通过H₂/Ar混合气氛程序升温制备了TiO₂-OV和g-C₃N₄/TiO₂-OV复合材料。通过X射线衍射和透射电镜分析所制备材料的组成、结构与形貌。电子顺磁共振结果证明TiO₂-OV和g-C₃N₄/TiO₂-OV复合材料均存在氧缺陷结构。光催化固氮实验证明异质结构的构筑能有效提高g-C₃N₄/TiO₂-OV材料的光催化固氮性能,其中1 wt%g-C₃N₄/TiO₂-OV材料经过4 h的光催化固氮反应后活性为31.6mmol·L^-1。稳态荧光光谱、光电流和阻抗等结果表明异质结结构的构筑可以有效促进光生电子-空穴对分离,并给出可能的光催化反应机理。最后,为了进一步优化光催化材料光电转换效率、提高光生电子-空穴对的分离效率,通过超声辅助构筑Ti₃C₂/TiO₂-OV异质结复合材料。光催化固氮实验结果表明,Ti₃C₂/TiO₂-OV复合材料具有显著增强的光催化固氮活性,其中Ti₃C₂/TiO₂-OV-2经过2h光催化固氮反应能够产生67.9mmol·L^-1的NH₃,其活性约为TiO₂单体的3倍(20.9mmol·L^-1)。紫外-可见漫反射光谱结果表明,复合结构的构筑可以有效增强材料的光吸收性能。阻抗和光电流结果证明,Ti₃C₂与TiO₂-OV紧密接触的界面结构能够促进光生电子转移,并揭示了可能的机理。