摘要
光催化技术是解决能源短缺和环境污染问题的最有效解决途径之一，设计和制备高效光催化材料具有重要意义。异质结构可以有效地提高半导体材料的光响应范围，促进光生载流子的有效分离，从而提高量子效率和光催化活性。本文以TiO2基光催化剂降解污染物为研究对象，通过水热法结合非金属B元素掺杂，水热原位氧化法以及溶液还原法等手段，成功制备了空心球状的R-TiO2/A-TiO2Z型异质结构，等离子效应增强的(A,R)-TiO2/TiN三元Z型异质结构以及双Z型A-TiO2/R-TiO2/Cu2O异质结构，利用X射线衍射、透射电镜、光电子能谱以及瞬时光电流等表征手段，研究了样品的物相组成、微观结构、元素化学状态、光电响应以及光催化性能等，建立了其物相组成、微观结构与性能之间的关系，揭示了新型异质结电子转移机制及其光催化机理，为各类半导体光催化材料的性能优化提供了思路。主要的结果总结如下: (1)采用水热法结合B元素掺杂，成功制备了一种空心球状的R-TiO2/A-TiO2Z型异相结光催化材料。通过调控B掺杂的含量，可实现氧空位含量、能带结构以及R-TiO2/A-TiO2的两相比例的调节。由于B掺杂的A-TiO2和R-TiO2之间形成的Z-方案电子转移路径、能带电位显著正移的最佳能带结构以及协同的慢光子效应，光催化性能得到了增强。当B掺杂量与TiO2的物质量比为0.5∶1时，R-TiO2与A-TiO2的重量比为0.070,可以获得最高的光催化性能，最高降解速率为0.0382min-1,为市售P25样品的3倍。 (2)采用水热法，通过原位氧化TiN,成功制备了等离子效应增强的(A,R)-TiO2/TiN三元Z型异质结光催化剂。通过调控水热反应过程中H2O2氧化剂的量，可实现TiN、A-TiO2和R-TiO2三相含量的调节。由于TiN的等离子体共振效应、TiO2/TiN异质界面处的N-O键连接的电荷转移通道以及A-TiO2和R-TiO2之间形成的协同Z方案转移路径，光催化性能得到了增强。当A-TiO2∶R-TiO2∶TiN的三相质量比约为15∶1∶1时，样品的光催化性能最优，在可见光光照90min后，降解效率可达97％以上。 (3)在获得Z型R-TiO2/A-TiO2异相结的基础上，采用水热法，成功制备得到了多面体型的窄禁带半导体Cu2O类球状颗粒，并实现了将TiO2紧密均匀地负载到了其表面，获得了双Z型A-TiO2/R-TiO2/Cu2O光催化材料。通过调控Cu2O的含量，可实现样品光吸收范围、能带结构以及光电性能的调控。当Cu2O与TiO2的摩尔比为0.75时，所制备的光催化剂经过150min的光照后，对盐酸四环素的降解率可达到90％以上，相比于未负载Cu2O的样品提高了7.95倍。
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