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环境污染和能源短缺是当今社会面临的两大问题，如何有效的解决这两大问题是众多科学工作者努力工作的方向。在众多的氧化物半导体光催化材料中，TiO2由于具有在生物和化学上的惰性、强的氧化能力、较低的生产成本及抗光、化学腐蚀等优点，在污水处理、生物降解、空气净化等领域，常被用作光催化氧化反应的催化剂。尽管具有广泛的应用前景，但是TiO2光催化剂的利用率不高，激发波长为短波长紫外光，激发功率较大，激发时间较长，且光催化效率不高等原因而限制了TiO2在实际应用上的进一步发展。因此，从实际应用的角度出发，TiO2的光催化活性需要得到进一步的加强。具有好的晶化、相对小的晶粒尺寸及较大的比表面积的TiO2可以达到这个目的。在众多的纳米TiO2粉末的制备方法中，水热合成技术由于设备简单、易于操作、反应温度低而得到广泛应用。通过改变水热反应条件，如水热反应温度和时间、添加有机物诱导剂等，可以得到不同组成、结构和特殊形貌的小晶粒尺寸、高比表面积的且具有较高光催化活性的TiO2粉末。因此，为了制备具有特殊形貌高光催化活性的TiO2光催化材料，本论文运用水热合成方法，重点在分散性好、表面呈特殊形貌且具有较高光催化活性纳米TiO2的制备等方面进行了有益的探索。其主要内容如下：
1、以乙醇-水混合溶液为反应体系，通过水热法在一定的水热条件下制备了分散性好的纳米二氧化钛粉末。通过X-ray衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等测试手段对二氧化钛光催化剂的结构、形貌及吸收波长进行了表征。结果发现水热处理过程增强了二氧化钛粉末从无定形到锐钛矿的相转变，并影响其晶化和结构重整。在水热温度较低、水热时间较短时，TiO2粉末晶化程度较低，光催化活性较差。随着水热温度或时间的增加，二氧化钛晶化程度增强、平均晶粒尺寸变大但是颗粒团聚趋势增强。乙醇在体系中主要是抑制水解，减缓水解反应速度，并且乙醇可与带有非架桥羟基的金属氧化物胶粒发生酯化反应，从而可以取代胶粒表面部分非架桥羟基，起到一定空间位阻作用，降低了相邻颗粒表面金属离子间通过非架桥羟基脱水结合而形成硬团聚的可能性，所以乙醇的加入显著提高了TiO2粒子的分散性。实验中确定了最佳水热处理条件为：水热温度120℃、水热时间10h。在此水热条件下与未添加无水乙醇所制备的二氧化钛粉体相比，添加无水乙醇制备的粉体由于乙醇的空间位阻效应而使制备的TiO2粉体分散性较好，但其晶化程度较低，所以光催化活性有所减弱。与添加乙醇所制备的TiO2粉体相比，未添加乙醇所制备的TiO2粉体晶化程度良好，具有一定的光催化活性。但由于水解速率快，水解产生大量的Ti(OH)6-离子相互间会通过脱水缩合而发生硬团聚。对于拟使用有机物CTAB诱导合成具有特殊形貌的纳米TiO2，由于团聚而无法有效获得设计颗粒形貌。所以乙醇-水混合溶液反应体系为下一步有机物诱导合成具有特殊形貌及较高光催化活性的TiO2提供了良好的合成环境。
2、在前文确定的乙醇-水混合溶液水热反应体系的基础上，使用有机物CTAB诱导合成具有良好光催化性的桑葚状纳米二氧化钛光催化粉末。通过X-ray衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)测试手段对TiO2光催化剂的结构及形貌进行了表征，并对其形貌形成机理进行了初步的探讨。通过甲基橙溶液的光催化氧化对二氧化钛的光催化活性进行了表征。结果显示：在有机物CTAB的诱导作用下，合成了由大量细小微粒团簇而成的具有桑葚状表面的高光催化活性TiO2微球，其平均粒径约为400nm左右。其形成原理可能是：首先反应体系中会形成由有机物诱导剂CTAB形成的带正电荷球状微胶束。因为锐钛矿相TiO2晶体结构是由TiO6八面体通过共顶角与共边相连结而成，Ti4+可能水解为Ti(OH)6-离子而带有负电荷，所以带有正电荷的阳离子表面活性剂胶束可以和Ti(OH)6-相互配对，Ti(OH)6-会因库仑作用力吸附在阳离子胶束表面。乙醇在反应中所起作用是减缓水解反应速率，避免水解太快而导致水解产生的大量Ti(OH)6-离子相互脱水缩合而发生硬团聚。此外，乙醇也可以与Ti(OH)6-离子的-OH发生酯化反应，会使吸附有Ti(OH)6-的球状胶团表面有一个乙烷链附在Ti(OH)6-离子上，这样乙醇便会起到一定空间位阻作用，乙醇的加入显著提高TiO2粉末的分散性，良好的分散体系会使CTAB在溶液中所形成的球状胶团周围可以吸附粒径较小且分散性好的Ti(OH)6-离子团。经过一定的水热过程，最终形成一种分散性好且表面呈桑葚状的TiO2微球。实验中确定了有机物诱导剂CTAB最佳掺杂量及最佳诱导合成工艺条件为：n(CTAB)/n(Ti4+)=0.5，水热温度120℃、水热时间10h。在此条件下制备的TiO2光催化剂显示出较高的光催化活性，在短时间(5min)，弱紫外光(2×3W，254nm)激发下，可实现对甲基橙溶液的快速降解。通过721W型可见光分光光度计测试其对甲基橙的降解率时发现已经超越仪器测试量程，由此可知此工艺条件下制备的TiO2具有极高的光催化活性。这可能归于此合成工艺条件下制备出了分散性好且表面凹凸不平呈桑葚状的TiO2微球，此种表面呈桑葚状结构的TiO2粒子相对于未添加CTAB所制备的TiO2粒子具有较大的比表面积，大的比表面积能够提供更多的活性吸附点和光催化反应中心，同时这种结构也有利于反应物的吸附与产物的脱附，因而使其光催化活性得到较大提高。