能源短缺和环境污染是人类社会所面临的两大主要问题。半导体光催化技术为有效治理环境污染和高效利用太阳能提供了一种新的途径。由于TiO₂材料的稳定和廉价等特点成为目前应用最为广泛的半导体光催化剂,常用在污水处理、空气净化、光解水制氢制氧等光催化领域,然而目前实际应用的TiO₂光催化剂的可见光效应范围窄,且光生载流子复合率高,量子效率低等缺陷制约着该催化剂的广泛应用。因此,如何提高光生电荷的有效分离和快速迁移,避免可能的体相/表面复合以及如何提高入射光利用率和可见光响应范围等是光催化技术发展的瓶颈。等离子体光催化剂作为一种新型的可见光响应光催化剂,近年来受到了研究人员的青睐。本博士论文基于TiO₂光催化材料,展开了一系列的研究,通过微结构调控、掺杂、复合等改性修饰方式,获得高效的等离子体光催化剂,对其在光催化降解污染物和光催化选择性氧化应用中的性能进行评估,并阐述反应过程中关键步骤的反应机理。首先,针对催化剂易失活、易凝聚和吸附性能差的缺点,提出采用分子筛SBA-15为硬模板,负载Au纳米颗粒和TiO₂。通过改变Au纳米颗粒的负载量,探索金负载量与光催化活性之间的关系。相比于P25,Au/TiO₂/SBA-15展现出较大的比表面积,使其对光催化反应底物具有极强的吸附能力。另外,由于分子筛特殊的孔道结构,可以限制Au纳米颗粒和TiO₂纳米晶体的生长,在分散Au纳米颗粒的同时,保证了贵金属和半导体之间的充分接触。Au/TiO₂/SBA-15等离子体光催化剂不仅可以利用金纳米颗粒的等离子体共振效应拓展可见光吸收范围,还能结合Au和TiO₂之间形成的肖特基势垒,降低了光生电子和空穴的复合几率。最后以光催化选择性氧化苯甲醇分子作为探针反应,考察了该催化剂在模拟太阳光条件下的光催化活性,并着重探讨了Au纳米颗粒的等离子体共振效应敏化作用和SBA-15分子筛的强吸附能力对光催化反应的影响规律。其次,在二氧化钛的形貌构筑及表面改性方面,提出二氧化钛空心结构和Ti³⁺自掺杂结合的联合改性方法,以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐作为溶剂和微波吸波剂,在微波条件下,合成具有空心结构的TiO₂,通过真空煅烧法进一步修饰,获得具有空心结构的Ti³⁺/TiO₂。在研究过程中发现离子液体的种类及TiO₂前驱体的添加量对合成催化剂的结晶度、表面形貌和孔隙结构起着决定作用。另外,离子液体在合成过程中不仅充当溶剂和微波吸波剂,还起到释放氟离子的作用。另外,真空煅烧修饰将氧原子抽离二氧化钛晶格,在二氧化钛的禁带中引入新的能级,提升其对可见光的吸收和响应。由于真空煅烧法形成的特殊壳层结构,能够保护次表层的Ti³⁺掺杂位点不被氧化,从而使催化剂在降解亚甲基蓝和选择性氧化苯甲醇的反应中表现出良好的可循环性。再次,利用原位光还原法在TiO₂载体上合成了Au、Ag、Pt、Pd四种等离子体光催化剂,以苯甲醇分子的选择性氧化反应作为探针实验,考察了四种等离子体光催化剂在可见光下的光催化活性。实验着重探讨了反应过程中的光源强度、光源发光波长和反应环境温度三个重要参数对光催化反应效率的影响,建立了单金属等离子体光催化剂与光催化性能之间的构效关系。实验结果表明:Pt₂–TiO₂具有高效可见光光催化活性,400 nm波段的量子产率为5.58%,是TiO₂的14倍。此外,通过ESR、活性自由基牺牲剂对比实验以及同位素效应动力学实验,表明超氧自由基是反应中重要的活性自由基,且氧化反应的速度控制步骤是断裂C1上的氢原子,在此基础上提出了Pt₂–TiO₂在可见光条件下选择性催化氧化苯甲醇的反应机理。同时,实验发现Pt和Pd贵金属纳米颗粒不仅在可见光场下能够高效地实现苯甲醇的选择性氧化,当加入热场后,反应效率急剧提升。最后,为了进一步提升表面等离子体共振效应和肖特基势垒的协同作用,利用原位光还原法合成了Au₂Pt₂/N-TiO₂等离子体光催化剂,以苯甲醇分子的选择性氧化反应作为探针实验,考察了Au₂Pt₂/N-TiO₂的可见光光催化性能。实验表明Au₂Pt₂/N-TiO₂具有高效的催化效率,量子产率在500 nm为5.86%,是TiO₂的24倍。实验表明,Au₂Pt₂/N-TiO₂高效的催化活性来源于三个方面:其一,N掺杂进入二氧化钛晶格,会在N 2p轨道和O 2p轨道中形成新的杂化轨道,使TiO₂获得可见光吸收能力,其二,Au纳米颗粒的等离子体共振效应增强材料对可见光的吸收能力;其三,Pt–TiO₂界面生成的肖特基势垒促进光生电子的转移,抑制了光生载流子的复合几率。这三者中Pt-TiO₂界面产生的肖特基结对催化效率的提升起主要作用。FDTD模拟仿真结果表明,Au₂Pt₂/N-TiO₂催化剂中Au纳米颗粒的热电子注入机制和局域电场增强机制均在催化反应中的起作用。