半导体光催化材料可以将太阳能转化为能直接利用的二次能源,在光解水产氢和光降解污染物等领域具有良好的应用前景。TiO₂作为光催化领域的基准材料,备受关注。本论文采用离子吸附和碳球模板法,制备了不同元素掺杂的锐钛矿TiO₂超薄纳米空心球结构。通过各种表征手段对其形貌、结构和光学特性进行了表征分析,研究了异质元素掺杂对锐钛矿TiO₂内部结构的改变,通过光催化性能测试,分析了不同浓度不同元素掺杂对锐钛矿TiO₂光催化活性的影响。本论文的主要研究内容和结论如下:1.采用离子吸附和碳球模板法成功制备了不同浓度Na掺杂的TiO₂超薄纳米空心球结构。通过掺杂碱金属元素Na,拓宽了半导体材料TiO₂的禁带宽度,提高了材料的氧化还原电位。原位光沉积负载Pt作为助催化剂,成功实现了Na掺杂锐钛矿TiO₂在紫外光照下的光催化全分解水。2.采用离子吸附和碳球模板法制备了Mg掺杂的TiO₂超薄纳米空心球结构,并研究了不同浓度的Mg离子对其光催化性能的影响。碱土金属元素Mg掺杂拓宽了半导体光催化剂TiO₂的禁带宽度,并且有效抑制了锐钛矿TiO₂空心球内部的固有缺陷态,从而实现了在太阳光驱动下催化全分解水。在光催化过程中,Mg掺杂TiO₂空心球样品表现出了稳定、高效的全分解水性能。其中0.5%Mg-TiO₂空心球在350nm紫外光驱动下催化全分解水的量子效率高达19.4%。3.采用离子吸附和碳球模板法制备了不同浓度Ni掺杂的TiO₂纳米空心球结构。过渡金属元素Ni掺杂窄化了锐钛矿TiO₂的带隙,一方面增加了锐钛矿TiO₂空心球对光能的利用率,另一方面却降低了纯锐钛矿TiO₂的还原电位,增加了光生载流子的复合机率。由于这两个方面的影响,在光催化半分解水过程中,不同浓度Ni掺杂TiO₂纳米空心球的催化性能表现出了明显不同。