本论文以TiO₂材料的形貌控制合成为基础,研究了用TiO₂作为修饰材料及TiO₂作为基体材料所构成异质结的制备及性质。合成不同形貌的TiO₂材料,研究微结构、相组成及缺陷对性质的影响;以TiO₂为修饰材料与Ag纳米线或rGO形成复合材料,研究其性质的改变;以TiO₂为基体材料,引入SnO₂形成异质结,改变材料的形貌,并研究其在光催化、锂离子电池、及传感等方面的应用。具体研究内容如下:1.TiO₂材料的形貌控制及性质研究。(1)利用空心球形结构对光的多重散射功能提高样品的光催化活性,即利用巯基乙酸(TGA)化学诱导自组装制备了形貌和尺寸可控的单分散介孔锐钛矿型TiO₂中空微球。研究了制备过程对形貌的影响,讨论了空心球的形成机理,其中钛酸四丁酯(TBT)水解形成的钛氧(Ti-oxo)簇的自组装起到了关键作用,进一步的热力学(奥斯特瓦尔德熟化过程)和动力学(气体释放)协同效应实现形貌的控制。在光催化降解有机污染物以及光催化产氢方面,空心球相比实心球结构均展示出优异的性能。(2)利用拓扑合成方法制备了合适相组成比例的锐钛矿和金红石混相中空TiO₂分级盒子,即以CaTiO₃立方块作为牺牲模板,使中空分级盒子具有均匀相分布,当样品的相组成与P25(?80%锐钛矿和20%金红石)相似时,展现出优异的光催化性能。分级盒子中锐钛矿和金红石相紧密接触,提高了光生载流子分离效率,并且空心结构有效使用入射光,实验结果表明,在亚甲基蓝有机污染物光催化降解中,分级结构的TiO₂空心盒子的降解率比P25纳米颗粒高2.7倍。(3)使用乙二醇与水的混合溶剂制备Ti³⁺掺杂的TiO₂-B,制备过程中,乙二醇在TiO₂表面的定向吸附形成层状结构,溶剂的粘度与还原性诱导材料体系中Ti³⁺的生成与分布。组成TiO₂-B球的片层数量及厚度可调。层状结构的TiO₂具有较大比表面积,且由于TiO₂-B材料中Ti³⁺的存在,显示出非常优异的光催化性能。经H₂O₂氧化处理后,TiO₂-B样品的表面缺陷数量减少,样品的光催化活性降低,表明缺陷对于光催化性能的影响起着非常重要的作用。2.不同形貌的银纳米线/二氧化钛(Ag NW@TiO₂)复合光催化剂的制备及性质研究。首次制备了Ag NW@TiO₂珠链状异质结构,其制备用两步合成法,即首先制备均匀的银纳米线,然后在其表面沉积TiO₂。使用TGA分子作为连接剂解决Ag NW核与TiO₂之间的晶格失配问题,水的添加量与溶剂的介电常数是形成珠链状异质结构的重要因素。通过改变TBT的量,TiO₂珠子的直径发生改变。在紫外(UV)光照射下降解甲基橙(MO)评估珠链状Ag NW@TiO₂的光催化性能,结果表明,TiO₂与Ag的摩尔比以及TiO₂珠子的直径对光催化活性具有协同作用,当Ag/TiO₂异质结构中Ti与Ag摩尔比为2.8时呈现最高的光催化活性。为了提高Ag NW@TiO₂材料的光催化活性,制备了核壳型、珠链型和颗粒沉积型三种Ag NW@TiO₂异质结构。巯基乙酸(TGA)与反应溶液的极性控制调节TiO₂在Ag NW表面涂覆状态。TiO₂与Ag的摩尔比对光催化活性至关重要,具有核壳结构的Ag NW@TiO₂样品界面间紧密接触与另外两种形貌的样品相比表现出优异的性能。3.二维rGO/TiO₂复合光催化剂的制备及性质研究。通过两步溶剂热法制备了全光谱Z体系rGO/TiO₂-Bronze(TiO₂-B)/W₁₈O₄₉光催化剂,即首先将TiO₂纳米片紧密附着在rGO上,然后在rGO/TiO₂-B纳米片生长W₁₈O₄₉纳米线。这种三元异质结构吸收范围在紫外光至近红外光(NIR)区域,提高太阳光利用率。rGO增加光吸收强度,非化学计量比的W₁₈O₄₉引起局域表面等离子体共振效应,最终导致其吸收范围扩大至NIR区域。通过电子自旋共振实验证实了rGO/TiO₂-B/W₁₈O₄₉三元复合结构属于Z体系光催化机理。TiO₂-B的导带和W₁₈O₄₉的价带被用于罗丹明B的光催化降解,促进光生载流子的有效分离,从而获得优异的光催化性能。4.SnO₂调控TiO₂材料的形貌、相组成在光催化、锂离子电池、气体传感性质方面的研究。采用拓扑合成方法制备CaTiO₃前驱体,并通过离子交换将其转化为TiO₂,成功制备了杨梅状锐钛矿/金红石混相TiO₂内部中空结构,在反应初始阶段添加适量SnCl₄,TiO₂@SnO₂分层级结构也可成功制备。此样品的结构特征表现为空心杨梅状金红石型TiO₂纳米棒近乎径向排列生长在由锐钛矿型TiO₂和SnO₂纳米颗粒组成的空心球的外表面上。SnO₂的加入量调整了产物的形貌并改变了复合材料中锐钛矿相和金红石相的比例。(1)在光催化性质研究中,使用低功率紫外光降解亚甲蓝来评价其光催化性能。由于中空结构增强了捕光能力,以及适当比例的相组成改善了电荷分离,因此SnO₂纳米材料加入,使得杨梅状TiO₂@SnO₂-5%样品表现出优异的光催化性能,且呈现好的循环稳定性。(2)将合成的TiO₂与TiO₂@SnO₂分层结构作为负极材料用于锂离子电池。与TiO₂样品相比,TiO₂@SnO₂-5%显示出改善的锂储存容量,循环性能和倍率性能。加入少量SnO₂后,TiO₂电极的阻抗明显下降。具有不同组成的中空分层结构提供了更多的活性位点,以及锐钛矿,金红石和SnO₂之间的良好界面接触,促进电子和离子快速有效地传输。(3)用SnO₂纳米颗粒均匀装饰的TiO₂分层级结构赋予其检测三乙胺(TEA)气体的优异性能。TiO₂@SnO₂作为一种新型传感材料,在低浓度的TEA中显示较高响应,与单独的TiO₂组分相比具有快速的响应速度。在工作温度为240℃,TEA气体浓度为5 ppm时,TiO₂@SnO₂样品的响应值高达21.6,是TiO₂样品响应度的三倍。与TiO₂相比,TiO₂@SnO₂传感器的响应速度提高了28%。