光催化是一种非常具有应用潜力的新技术，光催化材料的制备受到重视，但是光催化反应较低的催化效率和需要人工紫外光源照射阻碍了其进一步发展；纳米技术的飞速发展给这些问题的解决带来了新的机遇。本论文涉及提高光催化效率和其能量利用率的问题。研究了形貌控制合成低维纳米结构的氧化钛以及氮掺杂的氧化钛光催化剂的方法，并进一步研究了形貌对未掺杂的氧化钛的紫外光催化性能和掺杂的氧化钛的可见光催化性能的影响。发现纳米晶的形貌对其光催化活性有重要的影响。
采用表面活性剂辅助合成了离散的金红石相氧化钛纳米棒。所制备的氧化钛纳米棒具有高的长径比和高的比表面积。表面活性剂的存在对于离散的金红石相氧化∩钛的形成起重要作用。它一方面吸附在特定的晶面从而阻止该晶面的进一步生长，另一方面表面活性剂胶束的位阻作用也阻止纳米颗粒发生严重的团聚。这两方面都促进了离散纳米棒的形成。不加表面活性剂所得产品为混有少量板钛矿相的金红石相氧化钛团聚体。
更进一步，通过添加正丁醇到反应体系中，利用液相聚集生长和煅烧后处理两步过程相结合制备了多孔单晶氧化钛纳米棒。这类多孔单晶纳米棒既具有单晶的本质，更具有多孔的特点，使得其在光催化剂、催化剂载体、太阳能电池等领域具有潜在的应用价值。
发展了一种溶胶一溶剂热两步过程控制氧化钛纳米颗粒形貌的新方法，其起始反应物仅为简单的3M TiC14和Ti(OBu)4。可以通过简单改变起始反应物的组成和溶剂热温度而方便地控制各种形貌的氧化钛纳米颗粒，如球形颗粒，离散的纳米棒，纳米棒的花瓣状的聚集体等。水不溶性反应介质在纳米颗粒的控制聚集方面的起重要作用，它可以避免纳米颗粒的硬团聚。这种湿化学法制备的金红石相纳米棒在降解大分子染料中表现出高的光催化活性，而聚集形貌使得其在液相应用中更易分散和回收。
利用醋酸为添加剂，通过水热晶化可以有效改变所得氧化钛纳米晶的形貌，与不加醋酸直接水热处理所得的产物相比，醋酸的添加使得所得氧化钛晶粒的边角变得圆滑。在光催化降解亚甲基蓝的实验中，醋酸处理的样品表现出高的光催化活性。
发展了一种以水溶液为基础的合成方法制备高长径比的锐钛矿相氧化钛纳米棒。水溶液作为反应体系使得所制备的氧化钛纳米棒的表面并没有有机物包裹。这种高长径比的氧化钛纳米棒表面结构粗糙，作为催化剂应用更有利于分子的吸附和反应。
通过亚甲基蓝的降解实验，对比了具有良好定义的结晶学晶面的锐钛矿相纳米棒和多面体形纳米颗粒的光催化活性。实验结果表明，大量暴露{101}面的锐钛矿相氧化钛纳米棒具有比暴露各种晶面的多面体形锐钛矿相氧化钛纳米颗粒更高的光催化活性。其高的光催化活性的原因比较复杂，可能来自一维棒状结构高的载流子迁移速率而导致的电子空穴对复合几率的降低，也可能来自电子空穴对在不同晶面结构的表面上的复合几率的不同。
发展了原位掺氮进入TiO2晶格的新Ψ方法(前驱物分解法)，氮的掺杂和氧化钛的晶化同时形成，避免了TiO2直接氮化或者TiN氧化而引起的晶格畸ξ　变。这种方法制备的氮掺杂的氧化钛，在可见光区有宽的吸收和并具有高的可见光催化活性。另外，该方法简单易行，适合大规模制备掺氮的氧化钛纳米晶。
不同形貌的氧化钛纳米结构进行表面氮化处理后具有可见光催化活性。表面氮化处理并不会破坏纳米结构的基本结构和形貌，氮化后的产物表现出良好的可见光催化活性，并且其结构对光催化活性的影响的优势依然得到保持。这为从紫外光催化向可见光催化的简单过渡提供了一种有效的方法，也推进了光催化的真正实用化(可见光催化的最终实现)。


    关键词：
    二氧化钛 光催化剂 低维纳米结构 纳米棒 亚甲基蓝降解
    作者：
    杨松旺
    学位授予单位：
    中国卐科学院上海硅酸盐研究所
    授予学位：
    博士
    学科专业：
    材料科学与工程
    导师姓名：
    高濂
    学位年度：
    2006
    语种：
    中文
    分类号：
    TN304.21 TQ426.8