1、二氧化鈦(TiO2)的光誘導特性使其在環(huán)境污染物降解、自清潔涂層、光分解水制氫和太陽能電池等環(huán)境保護與能源轉(zhuǎn)換領域具有廣泛的用途。但受帶隙寬度的限制，TiO2的光誘導特性需要以紫外光為激發(fā)光源，這在一定程度上限制了TiO2的實際工程應用。將TiO2的光學響應區(qū)紅移至可見光區(qū)，不但可以利用太陽光的可見光成分，而且可以用室內(nèi)光源作為激發(fā)光源，從而促進TiO2更廣泛的應用。近年來，具有可見光響應TiO2的制備和相關(guān)性能研究正成為氧化物半導體研

2、究領域的一個新熱點。 通過摻雜改變TiO2的電子結(jié)構(gòu)是制備具有可見光響應TiO2的重要技術(shù)途徑。本論文基于幾種新型摻雜方法，制備了V摻雜、V/N共摻、C摻雜、C/N/F共摻TiO2。借助各種分析表征手段，對摻雜TiO2的微觀結(jié)構(gòu)、成分和摻雜元素的化學態(tài)進行了表征，并探討了其中的摻雜機理。通過測試摻雜TiO2的光吸收性能和可見光催化活性(亞甲基藍：MB；λ＞420nm)，評價了摻雜TiO2的光響應性能。論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點歸

3、納如下： 1．基于液相沉積法(LPD)制備金屬氧化物薄膜的原理，首次將LPD法用于制備V摻雜TiO2薄膜，研究了V離子濃度對V摻雜TiO2薄膜晶體結(jié)構(gòu)、V離子化學態(tài)和光響應性能的影響，并提出了原位摻雜機理。V摻雜TiO2薄膜主要由晶粒尺度為8～20nm的銳鈦礦TiO2構(gòu)成。在V離子濃度較低時，薄膜中V離子按照原位摻雜機制以V4+形式存在于TiO2晶格。摻V導致TiO2薄膜的吸收邊紅移，并具有可見光催化活性。隨著V離子濃度提高，薄

4、膜中V5+成分增加、晶粒尺度增大，使V摻雜TiO2薄膜的可見光催化活性逐漸降低。 2．根據(jù)V摻雜TiO2和N摻雜TiO2電子結(jié)構(gòu)的特點，提出以V、N共摻技術(shù)來增強TiO2的可見光吸收并提高其可見光催化活性。將控制水解工藝與室溫氮化工藝結(jié)合，在室溫下成功地制備了V/N共摻納米晶(4～5nm)銳鈦礦TiO2粉體。V以V4+和V3+形式占據(jù)部分Ti4+格點位置，N則以替位N和間隙N的形式存在于TiO2晶格，V對室溫摻N有促進作用。納米

5、晶TiO2具有的高度化學活性、以及納米晶表面和晶粒內(nèi)大量的缺陷為室溫下成功摻N提供了基礎。V/N共摻使納米晶TiO2的帶隙相對于單獨摻雜(摻V:2.91eV;摻N:2.92eV)進一步窄化至2.76eV。V/N共摻納米晶TiO2對可見光更多的吸收和更高的光量子效率導致共摻TiO2具有比單獨摻雜TiO2更高的可見光催化活性。 3．首次采用硝酸控制氧化法在低溫一步實現(xiàn)了微-介孔結(jié)構(gòu)形成、孔壁晶化和摻C，這種新型摻雜方法避免了常用高溫

6、摻C工藝帶來的孔洞結(jié)構(gòu)塌陷問題，且具有工藝簡單和易于工程化實現(xiàn)等優(yōu)點。硝酸控制氧化法制備的C摻雜微-介孔雙模結(jié)構(gòu)TiO2，孔壁由納米晶(3～5nm)銳鈦礦TiO2構(gòu)成，BET比表面積最高達246.9m2/g。晶格C由占據(jù)TiO2點陣中部分O格點的替位C和碳酸鹽形式的間隙C兩部分組成。高含量的替位C(6.3at％)使粉體的光學吸收邊紅移至453nm。而且，粉體在整個可見光區(qū)都有顯著吸收。C摻雜微-介孔雙模結(jié)構(gòu)TiO2具有顯著的可見光催化活

7、性。乙醇對C摻雜微-介孔雙模結(jié)構(gòu)TiO2粉體的比表面積、晶格C含量具有重要的控制作用。 4．首次提出并實現(xiàn)了基于模板劑雙功能作用、用于制備非金屬元素摻雜介孔TiO2的PBFT法。與常見模板法制備介孔TiO2工藝中模板劑僅具有單一功能(形成介孔結(jié)構(gòu))不同，PBFT法中模板劑具有形成介孔結(jié)構(gòu)和提供摻雜源的雙功能作用：高溫燒結(jié)形成孔洞結(jié)構(gòu)的同時，模板劑分解產(chǎn)物為摻C提供了C源、為摻N提供了部分N源。另一部分晶格N則來自于氟鈦酸銨中的銨

8、根離子?；赑BFT法制備的C/N/F共摻介孔TiO2粉體中高含量的晶格C和晶格N使其吸收邊紅移至481nm，并在整個可見光區(qū)都有顯著吸收。這賦予了粉體高的可見光催化活性。TiO2的快速沉積也使F原子(約1.0at％)被摻入到TiO2晶格中。摻F有助于增強TiO2可見光催化活性。深入討論了PBFT法的摻雜機理，并詳細研究了燒結(jié)工藝對C/N/F共摻介孔TiO2的孔洞結(jié)構(gòu)、比表面積、摻雜元素含量以及光響應性能的影響。 5．研究了摻雜