二氧化钛或钛酸盐等一维钛基纳米材料由于其具有较大的比表面积和独特的光电性质,成为最受关注的光催化材料之一。但是,近年来的国内外研究表明,水热法所得的一维钛基纳米材料虽然有一定的光催化作用,但是其光催化活性却差于工业上用的P25 TiO₂光催化材料,且在可见光下没有任何催化作用。通过半导体的能带理论得知,一维钛基纳米材料有很大的改性空间,通过改性可以得到光谱响应范围宽、光催化活性好的新型太阳能材料。围绕该研究方向,为得到改性后具有较高光催化活性的材料,本文从一维钛基纳米材料的合成、改性及光催化应用等角度进行了深入研究。采用水热法合成出一维钛基纳米材料,并分析合成工艺对材料物相、微观结构、光谱响应范围和光催化活性的影响,通过控制后处理工艺条件,可以得到两类纳米管材料,物相分析和微观结构的数据结果得出两类材料分别为钛酸钠纳米管和钛酸纳米管。纳米管的紫外可见漫反射光谱表明,钛酸纳米管的吸收带边为380 nm,较钛酸钠纳米管发生红移,根据Kubella-Munk理论和间接半导体的假设,计算出了钛酸钠纳米管的能带间隙为3.70 eV,而钛酸纳米管的能带间隙为3.48 eV。还讨论了热处理温度和时间对一维钛基纳米材料晶相和微观结构的影响,得出在400°C下保温90 min可得到锐钛矿晶型二氧化钛纳米管,在400°C保温180 min后可得到锐钛矿晶型二氧化钛纳米棒。运用SEM、HRTEM和SAED等测试方法对纳米管的微观结构进行分析,发现未超声分散前纳米管出现明显的团聚现象,纳米管错综交织成多孔的不规则颗粒,直径约为2 - 3μm;超声后,团聚的颗粒被分散成单根的纳米管,部分纳米管会因超声能量过大而发生断裂,断裂成100– 500 nm长的细小纳米管。对单根纳米管进行高分辨图像分析后,认为钛酸钠纳米管的管壁具有层状结构,大约为3– 5层,每相邻两层之间的间距大约为0.69 nm,每一层上沿纳米管方向的晶体也呈现出有规律的点阵排列,晶格间距大约为0.35 nm。分别选用阳离子染料亚甲基蓝和阴离子染料甲基橙作为目标降解物,通过实验研究了一维钛基纳米材料对染料的吸附和光催化特性。钛酸纳米管和二氧化钛纳米管对阳离子染料表现出较好的吸附效果,但二氧化钛纳米棒和P25二氧化钛却没有吸附作用,经Zeta电位和红外光谱分析,纳米管与阳离子染料间的作用为离子静电吸附。通过测试发现对亚甲基蓝的催化活性排序为TiO₂纳米管> TiO₂纳米棒> H2Ti3O7纳米管,对甲基橙的催化活性排序为TiO₂纳米棒> TiO₂纳米管> H2Ti3O7纳米管,研究表明材料的吸附作用有利于光催化反应进行。为增强一维钛基纳米管的光催化效率和可见光的利用程度,采用离子交换方法改性材料。首先,通过离子交换方法合成了钛酸铅纳米管和钛酸钴纳米管,考察了过渡族金属离子改性后纳米管的物相、微观结构、光谱响应范围和光催化活性的变化。Pb²⁺离子改性后材料的光谱响应范围发生改变,通过计算材料的能带间隙,得到离子交换成功的试样TNN和TNA其能带间隙值有所降低,而且光催化活性明显提高。Co²⁺离子改性后材料的吸收范围扩展至480 nm,且在500– 650 nm范围内有小的吸收峰,降解甲基橙的实验验证了Ti:Co为1:1的试样催化效率最高。经研究表明,过渡族金属离子改性后材料的催化效率有一定提高,但是仍和P25 TiO₂有所差距,随后进一步研究了稀土离子表面掺杂改性一维钛基纳米材料的合成及光催化活性。采用水热合成和静电表面掺杂两步法合成了稀土离子掺杂的一维钛基纳米材料,并分析了改性材料的合成机理。使用太阳能模拟光源研究了各材料对甲基橙的降解,掺杂Eu³⁺,Er³⁺,Sm³⁺,La³⁺的TiO₂催化效率均远高出TiO₂纳米棒和P25 TiO₂,研究了不同热处理温度下试样的催化效率,排序为600°C > 400°C > 200°C,随着温度升高,试样的催化效率也随之提高。尝试将一维钛基纳米材料应用于有机爆炸物TNB及生物大分子lignin的光催化降解。lignin在紫外光下有微量降解,在加入光催化剂后催化效率大幅度提高, Sm³⁺、Er³⁺、La³⁺、Tb³⁺、Pr³⁺离子掺杂后的TiO₂纳米棒表现出了较高的催化活性,其催化降解效率均超过商品级TiO₂纳米催化剂P25。通过红外光谱对lignin的降解产物进行分析,确定了lignin的两种光降解途径。在黑暗条件下,TiO₂纳米棒对TNB有少量吸附作用,在紫外光照下4个小时即可完成对TNB的降解,其降解产物为芳香族化合物。