二氧化钛(TiO2)成本低廉、化学稳定、安全环保,在能源与环境领域有着广泛应用。在光催化反应过程中,与薄膜相比,TiO2粉体具有更大的接触面积与更多的活性位点,其效率通常优于薄膜。TiO2光催化性能与其纳米结构密切相关,目前已开发出多种合成路径制备诸如纳米线、纳米棒、纳米管、纳米花、纳米片和纳米带等不同形貌。TiO2原位复合石墨烯后,可以利用石墨烯优异的导电性能,有效促进光生载流子分离。构建主干—分支多级结构,并在其界面处形成相结,也同样可以提高光生电子和空穴分离效率,进一步提升光催化活性。本文从石墨烯原位复合和构建主干—分支多级结构两种策略出发,研究不同形貌、制备方法和相结构等因素与TiO2粉体光催化性能之间的内在联系。石墨烯复合方面,在还原氧化石墨烯(rGO)表面调控生长TiO2纳米线和纳米带,探索不同制备路径、TiO2形貌以及晶相对复合粉体光催化性能的影响;分支构建方面,分别制备了带—片、微晶@纳米片和微晶@纳米颗粒复合粉体,比较研究了分支结构、主干形貌等因素对光催化性能的影响。本文主要得到了如下结论:(1)开发了一种开放体系一锅法制备rGO/TiO2纳米线复合粉体技术。利用Ti-H2O2反应体系,将一维(1D)TiO2纳米线在80 ℃原位生长在rGO表面,后续550℃煅烧1 h获得最终产物。纳米线长度约为1 μm,为锐钛矿和金红石的混合相,对rGO片层形成紧密均匀包覆。原位生长的TiO2纳米线与rGO界面处接触紧密,有利于光催化过程中光生载流子的分离。纳米线生长过程GO的引入抑制了产物中金红石相的形成,复合粉体中金红石相的质量分数从50.7%减少到6.2%,而禁带宽度并没有相应提高,反而从2.93 eV下降至2.83 eV,显示煅烧过程中rGO与TiO2之间的强烈相互作用。GO添加量影响光催化效率。紫外光照下降解罗丹明B时,经优化后的仅含0.18 wt.%rGO的复合粉体的反应速率常数为TiO2纳米线的5.5倍,表明rGO的少量引入即可明显提高TiO2粉体的光催化性能。rGO/TiO2纳米线复合粉体的反应速率常数是rGO/TiO2纳米颗粒的2.3倍,显示了一维纳米结构在光催化性能上的优势。(2)采用碱热法在rGO表面原位生长了TiO2纳米带,然后利用溶液燃烧制备的前驱液,在rGO/TiO2纳米带复合粉体表面沉积生长了超薄纳米片分支,形成一种独特的同步复合rGO的“纳米片—纳米带”多级结构。纳米片在纳米带的表面垂直生长,高度约为200-300nm,厚度约为2nm。碱热纳米带诱导纳米片分支的生长和后续结晶,带—片多级结构中纳米带和纳米片的晶相均为Ti02(B)。与rGO/TiO2(B)纳米带比较,rGO同步复合带—片分支多级结构具有更高的光生载流子分离效率。与rGO的复合及其后续的分支多级结构的生长显著增加了 TiO2(B)纳米带的比表面积。紫外光照下光催化降解水中苯酚结果表明,rGO/TiO2(B)分支纳米带的反应速率常数是rGO/TiO2纳米带的1.7倍,是原始TiO2(B)纳米带的2.9倍。(3)利用Ti-HF体系水热法制备了{001}面暴露的TiO2微晶,结合后续溶液沉积生长,将纳米片和纳米颗粒与TiO2微晶复合,形成核壳多级结构。表面纳米结构的生长成功地补偿了 TiO2微晶因相对较大的尺寸导致的较低的光催化活性。将TiO2微晶浸没于溶液燃烧前驱液中并在60 ℃C下保温一定时间,尺寸为2 μm的TiO2微晶表面垂直生长并覆盖有厚度为2-4 nm的超薄氢钛酸纳米片,形成TiO2微晶@纳米片核壳结构。经过后续400℃下1 h热处理后,表面生长的氢钛酸纳米片分解为锐钛矿,同时形貌得以保持。紫外光照射下光催化降解水中苯酚时,该核壳结构复合粉体的反应速率常数是纯TiO2微晶的2.3倍。光催化活性的提高源于TiO2微晶和表面修饰的纳米片之间产生的协同效应。将TiO2微晶浸没于浓度为0.04 M的TiF4溶液中6-48 h,微晶{101}面沉积生长了尺寸为100-120 nm且内部存在介孔的介晶TiO2纳米颗粒。由于对溶液中F离子的选择性吸附阻碍TiO2纳米颗粒的沉积,{001}面保持暴露状态。经400 ℃热处理,TiO2微晶及其表面生长的纳米颗粒均为锐钛矿。以苯酚为目标降解物的光催化测试结果表明,TiO2微晶@纳米颗粒的多级核壳结构的光催化反应速率常数为单纯TiO2微晶的2倍。这是由于核壳结构保持TiO2微晶高能{001}面暴露,同时{101}面沉积介晶TiO2纳米颗粒。介晶纳米颗粒与Ti02微晶之间形成的相结有效抑制了光生载流子的复合,也有利于光催化活性的提升。