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本文采用溶胶-凝胶法制备了TiO2纳米晶光催化剂，运用热重-差热、X射线粉末衍射、比表面积、紫外-可见漫反射吸收光谱、表面光电压谱、光致发光谱以及瞬态光电导谱等测试手段对其结构、组成和光电特性进行表征；以对苯二甲酸作为探针分子，利用化学荧光技术来检测液相光催化中TiO2表面产生的羟基自由基；以罗丹明B（RhB）和乙烯（C2H4）为模拟反应分子，分别考察了TiO2的液-固和气-固光催化性能。实验结果表明：（1）光催化剂的晶相结构和光电特性与热处理温度紧密相关。随着热处理温度的升高，TiO2的晶型由锐钛矿相向金红石相转变，其晶粒逐渐增大，比表面积减小。经400℃热处理后，所得样品T4为锐钛矿（64％）和金红石（36％）的混合物。与其它经不同温度热处理后所得样品相比，T4的光吸收性能最好、光伏响应最强、光致发光谱和光电导的寿命最长，这意味着其光生载流子的分离效率最高。（2）TiO2/水界面上羟基自由基的形成与光照时间成正比并遵守零级动力学。不同温度热处理的TiO2表面羟基自由基生成速率快慢的顺序为：400℃ > 500℃ > 600℃ > 300℃ > 200℃。（3）同一光催化剂在液相和气相中的光催化机理不同。在液-固光催化体系中，催化剂的光催化性能主要由其表面光生载流子的分离效率和羟基自由基生成速率决定的。表面光生载流子的分离效率越高，羟基自由基生成速率越快，光催化降解罗丹明B的效率越高，因此，400℃热处理的样品（T4）在降解RhB中表现出最高的光催化性能。在气-固光催化体系中，有机物和氧气的预先吸附是高效率氧化作用的一重要条件。200℃热处理的T2样品拥有大比表面积且含有较多的表面羟基，有利于C2H4和O2在催化剂表面吸附，这些吸附物种可以迅速捕获迁移到界面的光生载流子，并生成活性物种，继而将C2H4矿化生成CO2和H2O。随着热处理温度的升高，TiO2纳米晶的表面积减小，表面羟基发生热脱附，不利于反应物的吸附，导致了催化活性的降低。