全球经济的快速发展带来的环境污染和能源短缺问题日趋严重,为此,人们越来越致力于寻求性能优异的光催化材料,通过光催化污染物降解和水分解制氢而解决这些问题。二氧化钛(TiO2)因其独特的性能在光催化、太阳能电池、锂电池以及气体传感器等方面具有潜在的应用价值。近年来,大量研究表明对TiO2进行表面改性可有效提高其光电转化效率和光催化活性。本文以TiO2纳米管阵列(TiO2 NTAs)为基本结构,开展了TiO2基复合纳米材料的可控制备及其光催化有机污染物降解和水分解制氢方面的研究。TiO2具有价格低廉、环境友好以及稳定的理化特性等优点,TiO2纳米管阵列更是具有表面形貌均一、排列整齐、高度取向、长径可调以及光电化学性能独特等特点,从而TiO2纳米管阵列及其复合材料的研究一直以来都是光催化领域的研究热点。TiO2纳米管阵列自2001年首次利用阳极氧化法制备以来,引起了相关领域研究者的极大兴趣。然而值得一提的是,TiO2为宽禁带半导体材料,锐钛矿型TiO2禁带宽度为3.2e V,金红石型TiO2禁带宽为3.0 e V,因此TiO2只对紫外光具有光响应性,而对可见及近红外光几乎无响应,从而极大限制了其对太阳光的利用。此外,TiO2半导体材料的低导电率使得电荷载流子不能够有效分离并转移,从而光生电子-空穴对的复合限制了光电转化效率。由于TiO2半导体材料具有大量的缺陷,光生电子-空穴对复合的损失在碱性溶液中更明显,加入电子供体可有效消耗光生空穴从而抑制电子-空穴对的复合。因此,对TiO2纳米管阵列进行改性可有效扩大其光响应范围,提高太阳光利用率,从而提高光电转换效率及光催化活性。为了验证改性效果,我们对纯TiO2纳米管阵列和基于TiO2纳米管阵列的复合纳米材料的光学性、光电化学特性以及光催化活性进行对比研究,具体工作如下:(1)利用两步阳极氧化法制备了表面形貌均一、排列整齐且高度取向的TiO2纳米管阵列,并通过煅烧处理构建TiO2锐钛矿/金红石异向结构。另外,对所制备的结构进行扫描电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱、紫外-可见吸收光谱、光致发光、光电化学性能以及光催化活性等一系列的表征及应用研究。光电化学性能测试表明,TiO2锐钛矿/金红石异向结构在紫外光波段具有强烈的光响应性,而在可见光波段的光响应极其微弱,在近红外光波段几乎无任何光响应。半导体材料的光电转换效率取决于光生电子-空穴对的分离效率,因此对TiO2纳米管阵列进行改性以减小其带隙、提高光生电子-空穴对的分离效率是改善光电化学特性及光催化活性的有效手段。(2)利用一种简易的电化学法大规模制备了高纯度的碳点(CDs),并通过电沉积将CDs均匀负载到TiO2纳米管阵列的内外表面以构建CDs/TiO2 NTAs复合结构,从而有效增强了TiO2纳米管阵列的光响应性、光电化学特性以及光催化活性。同时,通过调节电沉积时间实现了CDs在TiO2纳米管阵列内外表面的可控生长。CDs具有电子给体/受体及荧光上转换特性,可有效促进光生电子的产生和转移。此外,CDs可以作为电子的储存室以捕获来自TiO2纳米管阵列在光照下产生的电子,从而抑制光生电子-空穴对的复合。而且,CDs还可以作为电子的清道夫以避免光生电子-空穴对的复合过程。因此,CDs的引入可有效扩大TiO2纳米管阵列的光响应范围,提高太阳光的利用率,使得CDs/TiO2 NTAs复合结构表现出显著增强的光电转换效率及光催化活性。(3)以丝素蛋白溶液为前驱体,利用水热法制备了粒径小于10 nm且单分散性良好的氮掺杂的碳量子点(N-CQDs),然后通过水热反应将N-CQDs成功负载到TiO2纳米管阵列的内外表面构建了N-CQDs@TiO2 NTAs复合结构。带隙为2.7 e V的石墨碳氮化物是一种新型的不含金属的半导体材料,具有良好的生物相容性、利于还原反应进行的负导带位及可见光响应等特性而广泛应用于光催化有机污染物降解、水分解制氢、敏化剂、电催化氧气还原反应、生物成像及太阳能电池等方面。以丝素蛋白溶液为前驱体制备的N-CQDs具有更吸引人的水溶性、低毒性、生物相容性、尺寸可调的光致发光性及绿色且经济的合成方法等特性。N-CQDs用于修饰TiO2纳米管阵列可有效提高N-CQDs与TiO2纳米管阵列界面的电子传输效率,从而N-CQDs@TiO2NTAs复合结构表现出扩大的光响应范围,增强的光电转换效率及光催化活性。(4)利用水热法制备了粒径均一且单分散性良好的单层二硫化钼量子点(MoS2QDs),同时借助电沉积将MoS2 QDs成功负载到TiO2纳米管阵列的内外表面构建了MoS2 QDs/TiO2 NTAs异质结构。作为一种二维的过渡金属双硫分子配合物,六角结构相的MoS2(2H-MoS2)在室温下具有独特的光吸收、荧光、热效应、稳定及半导体等特性,其作为助催化剂可有效降低半导体材料的带隙,促进光生电子-空穴对的分离,从而提高该半导体材料的光电转换效率和光催化活性。许多二维材料的光学特性与其层数有关,MoS2也不例外,当厚度减小至单层时,MoS2的带隙结构将从间接带隙转变为直接带隙。具有优异荧光特性的单层MoS2量子点作为助催化剂修饰TiO2纳米管阵列可有效降低其带隙并促进光生电子-空穴对的分离,使得MoS2 QDs/TiO2NTAs异质结构表现出显著扩大的光响应范围,增强的光电转换效率及光催化活性。各种量子点的修饰可有效改善TiO2纳米管阵列的光催化能力。因此,基于TiO2纳米管阵列的复合纳米材料的设计发展了半导体复合纳米材料对可见-近红外光波段的光电响应性研究,进一步探索了复合纳米材料作为光催化剂在有机污染物降解和水分解制氢方面的应用,从而推动了光催化技术的产业化发展。