近年来随着经济和社会的发展,环境污染日趋严峻。在影响人类健康的环境污染中,重金属离子污染是环境污染的重点之一。在众多重金属离子污染中,Cr(Ⅵ)污染尤为严重。光催化技术是一种环境友好和具有广阔应用前景的绿色水处理方法,其优点是反应条件温和、易操作,能直接利用太阳光。但光催化还原治理重金属离子水污染的研究相对进展缓慢,原因在于光催化剂相比于传统的吸附剂比表面积较小,光生载流子易复合,导致光催化还原重金属离子的速率相对缓慢,特别是低浓度重金属离子废水;并且重金属离子还原后的产物不易脱附,易造成光催化剂失活。本文旨在发展吸附-光催化-脱附协同技术去除废水中的Cr(Ⅵ)。选择高稳定、廉价、无毒的Ti O₂为光催化剂,利用高比表面积多孔单晶Ti O₂,并进行组成修饰和纳米结构裁剪(包括掺杂或复合、表面缺陷位控制、表面组成调变等),增强对光的利用率并减少电子-空穴复合,提高光催化效率。针对处理重金属废水的特点,着力解决以下三个关键问题:(1)通过吸附废水中低浓度Cr(Ⅵ),不仅可以快速去除水中Cr(Ⅵ),而且重金属离子的富集可以促进其后续的光催化还原速率;(2)通过表面化学性质调变,使光催化还原后的产物Cr(Ⅲ)能够快速脱附,避免光催化剂中毒;(3)探索光催化剂对重金属离子的吸脱附机理和光催化还原机理及其相互协同作用,并讨论光催化剂的构效关系(包括Ti O₂的修饰与复合剂、表面性质等)。本文针对以上目标,针对性的设计了几种的光催化材料,主要分为以下三个部分:(1)表面修饰羟基修饰的介孔单晶Ti O₂对Cr(Ⅵ)的选择性吸附协同光催化还原性能的研究采用溶剂热法制得高比表面积的多孔单晶Ti O₂,成功在其表面修饰上羟基,采用XRD,TEM,BET,XPS等手段对催化剂材料进行了表征。并测试了其对Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)混合溶液的吸附及其光催化还原Cr(Ⅵ)性能。结果表明,所制备的表面修饰羟基锐钛矿相多孔单晶Ti O₂光催化剂材料具有较高的比表面积(约153 m2/g),修饰之后的多孔单晶同时也具有比未修饰的多孔单晶Ti O₂更高的对Cr(Ⅵ)选择性吸附性能和光催化还原Cr(Ⅵ)速率。(2)对Cr(Ⅵ)的选择性吸附协同光催化还原性能的研究采用三钛源体系一步合成Ti³⁺掺杂的Ti O₂光催化剂,在酸性条件下自身带正电,深入研究选择吸附Cr(Ⅵ)离子,并促进光催化作用。通过溶剂热法制得极小比表面积的Ti³⁺/Ti O₂,排除焙烧时比表面积受到的影响,从而保证吸附及还原过程只与其三价钛含量有关。实验结果证明,三价钛含量越多,表面正电荷越多,其对六价铬的选择性吸附越高,促进了光催化还原Cr(Ⅵ)过程。(3)单层石墨烯复合纳米颗粒Ti O₂对Cr(Ⅵ)的选择性吸附协同光催化还原性能的研究采用溶剂热法制得尺寸较小的纳米颗粒Ti O₂,并且成功将其与单层石墨烯复合,均匀负载在石墨烯上,提高接触位点,有利于光生电子转移。由实验结果证明,石墨烯的存在有效提高了对Cr(Ⅵ)的选择性吸附,同时提高了其光催化还原速率。