21世纪发展与环境的矛盾日益突出,研究者对光催化环境保护领域的关注与研究逐步增加,尤其是光催化降解废水中的有机污染物已成为最热门的研究课题之一。TiO₂作为经济型环保材料,具有非常高的光催化特性,今年来得到了研究者的广泛关注。然而,TiO₂禁带宽度较大（金红石相为3.0 eV,锐钛矿相为3.2 eV）,只能被紫外光所激发,严重限制了其催化活性与实际使用条件;另一方面,当TiO₂受到光辐射时,激发的电子空穴对无法及时迁移到表面,在内部迅速复合,无法起到催化效果,也降低了其催化活性。因此,本文从TiO₂结构设计的角度考虑,希望通过纳米化结构,大幅缩短载流子迁移路径,减少复合机率,提高TiO₂的光催化效率。另外,石墨烯作为单原子层结构碳纳米材料,具有优异的电学特性,是一个良好的电子受体;同时石墨烯三维泡沫结构,具有极大的比表面积,极强的吸附能力。因此,将石墨烯引入光催化降解领域,通过与TiO₂的可控结合,可有效弥补TiO₂的不足,大幅提高新结构的光催化特性。通过设计并制备纳米TiO₂/石墨烯泡沫复合结构,可以有效缩短光激发载流子到材料表面的迁移路径,降低内部复合导致的效率降低;利用石墨烯超高的载流子迁移率将激发产生的电子与空穴迅速分离,参与有机分子分解反应,提高催化效率;石墨烯泡沫的多空结构及超高比表面积,可以有效吸附废水中的有机分子,有利于光催化反应的进行。另外,石墨烯泡沫具有一定的机械强度,可以作为支撑体,方便整体的回收再利用。基于以上分析,本论文主要研究TiO₂纳米线的可控制备,纳米TiO₂/石墨烯符合结构的可控制备,及两者的光催化特性研究。主要工作内容和成果简述如下:采用两步水热法制备了大长径比小尺寸TiO₂纳米线。调控一步碱水热和二步酸水热工艺参数,结合SEM、XRD及Raman等表征手段探究其对样品微观形貌及光催化性能的影响。碱水热反应温度为200℃,反应时间为12 h,10 M NaOH最优反应条件下得到样品形貌为大长径比纳米线,且物相为纯锐钛矿相TiO₂。光降解实验发现样品的光催化性能与其形貌有关,大长径比纳米线结构的样品表现出较高的光催化活性,紫外光辐射30 min,光催化效率达到95%。添加乙二醇在较低碱度3 M NaOH下即可获得大长径比纳米线。调控乙二醇添加量和反应温度,探究其对样品微观形貌及光催化性能的影响。乙二醇的添加使样品在一步水热过程直接得到了锐钛矿相TiO₂,乙二醇添加量较少时样品为H2Ti3O7与锐钛矿TiO₂的混合相,添加量为50%时,得到纯锐钛矿相TiO₂。乙二醇的添加还使样品在较低温度（>150℃）范围获得光催化性能良好的长约800 nm¹000 nm,直径约50 nm⁸0 nm大长径比纳米线,为TiO₂纳米线/石墨烯泡沫复合材料的制备提供温和的反应环境。复合材料制备过程中由于石墨烯泡沫的引入,在最佳TiO₂纳米线制备工艺的基础上,在反应物浓度、添加剂温度、碱水热温度做微调整,进行纳米TiO₂/石墨烯泡沫复合光催化材料的制备。以石墨烯骨架为形核位点,使TiO₂生长受不对称力影响,获得垂直于石墨烯骨架生长的彼此交错超薄TiO₂纳米片,厚度为约10 nm²0 nm。最佳合成工艺1.12 g TiO₂原料,50%乙二醇,反应温度180℃制备的复合光催化剂较单纯TiO₂纳米线和TiO₂反应原料具有更优的光催化性能和良好循环性能,45 min紫外光照射,光催化效率达到98%。经过3次光降解循环实验,光催化效率仍保持在这一水平。