光催化技术是近几十年发展起来,且有望成为21世纪环境污染治理的理想技术。二氧化钛由于具有光稳定性、无毒害、廉价等优点,成为最有前途的光催化剂之一。其在紫外光照射下,可将环境中有机污染物降解为水和二氧化碳。在环境净化领域,特别是有机污水处理方面的应用前景诱人。纳米粉体TiO2由于其比表面积大、光催化活性高,自然而然地备受关注。然而其在实际应用时出现了易于流失、难以回收等问题,不但不利于催化剂的再利用,而且还会对水造成二次污染。制备负载型TiO2光催化剂,既可以解决回收利用的问题,又可克服纳米TiO2粉体易团聚、不稳定的缺点。但是随之而来的是光催化剂比表面积和光催化活性的降低。因此必须通过改变载体和优化负载技术来改变负载TiO2表面形貌,提高其比表面积。表面形貌不但影响着负载型TiO2的比表面积和有效比表面积,也影响着其吸光率。如何提高TiO2膜的有效比表面积和吸光率成为提高其光催化活性的关键。　　 本文为解决负载与光催化活性之间的矛盾,提高TiO2膜的有效比表面积和吸光率,制备高活性负载型TiO2光催化材料。首先通过模拟计算对八种典型膜结构模型从有效比表面积和吸光率两方面进行优化设计,找出最有利于提高负载型TiO2光催化活性的表面结构。模拟计算结果表明:当各模型中的结构参数d=R=c且纳米管的内外径比k大于0.37时,各种模型有效比表面积从大到小依次为:密排三棱锥模型(3.61),纳米管模型(2.24～2.81),密排四棱锥模型(2.24),多孔模型(1.91),密排六棱锥模型(1.53),密排六方排列圆锥模型(1.38),四方排列圆锥模型(1.33),平面模型(1)。当纳米管的内外径比k小于0.37时,密排四棱锥模型有效比表面积大于纳米管模型(1.91～2.24)。各种模型吸光性能由好到差依次为:密排三棱锥模型,密排四棱锥模型,密排六棱锥模型,密排六方排列圆锥模型,四方排列圆锥模型,纳米管模型、多孔膜性、平面模型。最终得出膜表面微结构为尖劈结构,特别是三棱锥微结构,不但具有大的比表面积、有效比表面积而且能提高膜对光的吸收率。所以为了提高TiO2膜的光催化效率,从结构上应该将TiO2膜制备成为由三棱锥微结构组成的尖劈结构。　　 根据模拟计算结果,进一步采用实验证明表面结构与光催化性能之间的关系,寻找表面结构、有效比表面积、吸光率和光催化活性之间的规律。论文采用不同的工艺方法,在钛基板上原位制备了几种具有不同微结构形貌的氧化钛薄膜。使用外加偏电压对光生电子-空穴实现分离,用模拟染料废水对各种形貌结构氧化膜光电催化性能进行研究。为增大TiO2膜比表面积,利用喷丸.腐蚀.热氧化的方法制备出海绵状纳米多孔TiO2膜电极。实验结果表明其比表面积为23 m2/g,是纳米管TiO2膜比表面积(51 m2/g)的45％；当外加电压为1.2 V时,光电流密度(152μA/cm2)比纳米管TiO2膜电极(117μA/cm2)提高了30％；对活性艳红染料的去色率(83％)比纳米管TiO2膜电极(74％)提高了12％。虽然海绵状纳米多孔TiO2膜电极的比表面积比纳米管TiO2膜电极小,但是其光电催化活性有明显提高。表明表面微结构形态在材料催化活性中起决定性作用,但纳米管的盲孔结构使得其与溶液的接触面积显著降低从而大幅减小了光电子的产生几率导致其光电催化活性的下降。故比表面积对光催化活性的影响主要在于材料与水接触面积的大小即有效比表面积。　　 进一步,为提高TiO2膜的有效比表面积,通过阳极氧化方法在钛基板表面制备了表面微结构为珊瑚结构TiO2膜电极。珊瑚结构主要是由纳米棒组成,纳米棒长短不一,直径约为50 nm。测试结果表明该材料的比表面积为20 m2/g,是纳米管TiO2膜比表面积(51 m2/g)的39％。但当外加电压为1.2 V时,其光电催化活性远远高于纳米管TiO2膜,光电流密度达到180μA/cm2比纳米管TiO2膜电极(117μA/cm2)提高了54％；对活性艳红染料的去色率达到91％比纳米管TiO2膜电极(74％)提高了23％。珊瑚结构中的TiO2纳米棒更有利于与水溶液的接触,使得有效比表面积大大增加。测试结果表明,与水接触面积的增加可增大材料的光催化活性。此外,吸光度测试结果表明珊瑚结构TiO2膜的吸光度较纳米管有很大提高,其具有一定的光陷作用。光利用率的提高有利于增大量子产率,从而提高了材料的光电催化活性。　　 由于,尖劈结构具有高的吸光效率,大的有效比表面积,为同时提高TiO2膜的有效比表面积和吸光率,利用化学腐蚀.热氧化的方法在钛基板表面,通过优化腐蚀工艺参数制备具有尖劈结构TiO2膜电极。研究认为这种尖劈腐蚀形貌是由于钛在腐蚀液中各各晶面具有不同的腐蚀速度形成。尖劈结构TiO2膜电极的比表面积为27 m2/g,是纳米管TiO2膜比表面积(51 m2/g)的53％。但是其光电催化活性却比纳米管高,当外加电压为1.2 V时,光电流密度达到240μA/cm2比纳米管TiO2膜电极(117μA/cm2)提高了105％；光电催化对活性艳红染料的去色率达到97％比纳米管TiO2膜电极(74％)提高了31％。TiO2膜电极的表面纳米尖劈结构有利于和水溶液的接触由于其为凸起结构使得其表面均为有效表面,有利于光电催化反应的进行。此外,吸光度测试结果表明尖劈结构具有很强的光陷阱作用。高的光能利用率和大的有效比表面积共同作用使尖劈结构光生电子-空穴产率大大增加,从而使得其具有高的量子产率,表现为很高的光电催化活性。