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锐钛矿型二氧化钛复合物的制备工艺与光催化性能的深度解析

一、引言

1.1研究背景与意义

二氧化钛（TiO?）作为一种重要的无机化合物，凭借其优异的化学稳定性、高催化活性、无毒性以及成本低廉等诸多优势，在众多领域展现出广泛的应用前景。在涂料行业，二氧化钛是不可或缺的白色颜料，其出色的遮盖力和耐候性，能够显著提升涂料的品质，有效保护被涂覆物体免受外界环境的侵蚀；于塑料工业而言，它不仅可以作为白色颜料赋予塑料制品良好的色泽，还能充当光稳定剂，增强塑料的耐候性和抗老化性能，从而延长塑料制品的使用寿命；在化妆品领域，二氧化钛常被用作物理防晒剂，能够高效地反射和散射紫外线，为肌肤提供可靠的防护，同时还可作为增白剂和遮瑕剂，提升化妆品的使用效果；在环保领域，其光催化活性使其能够分解有机污染物和杀菌消毒，在空气净化和水处理等方面发挥着关键作用。

二氧化钛主要存在三种晶体结构，分别为锐钛矿型、金红石型和板钛矿型。其中，板钛矿型由于其自身稳定性较差，在实际应用中较为少见。锐钛矿型二氧化钛与金红石型相比，具有较大的禁带宽度，这使得其电子-空穴对拥有更高的电位差，进而具备更强的氧化能力。与此同时，锐钛矿型二氧化钛表面对H?O、O?及OH?等物质的吸附能力更强，这种较强的吸附能力有利于催化反应的发生，使得锐钛矿型二氧化钛在光催化领域展现出独特的优势和应用潜力。

然而，单独的锐钛矿型二氧化钛在光催化应用中仍面临一些挑战。例如，其光生载流子的复合率较高，这导致光催化效率受到一定程度的限制，难以充分满足实际应用的需求。为了克服这些问题，制备锐钛矿型二氧化钛复合物成为了研究的重点方向之一。通过与其他材料复合，能够充分发挥不同材料之间的协同效应，有效抑制光生载流子的复合，从而显著提升光催化性能。这种复合物在环境净化领域，如对有机污染物的降解和有害气体的去除等方面，有望展现出更高效的净化能力，为解决环境污染问题提供新的有效途径；在能源领域，可应用于太阳能电池等，提高光电转换效率，促进清洁能源的开发和利用。因此，对锐钛矿型二氧化钛复合物的制备与光催化性能进行深入研究，具有重要的理论意义和实际应用价值，对于推动相关领域的技术进步和发展具有积极的促进作用。

1.2国内外研究现状

在国外，对于锐钛矿型二氧化钛复合物的研究开展得较早且成果丰硕。有学者通过实验对比了锐钛型TiO?和金红石型TiO?的光催化性，运用四种不同的测试方法，结果表明锐钛型TiO?的光催化性能比金红石型高出约1.5倍，并且发现相对湿度在一定程度上会对TiO?光催化性产生影响。Khan等人通过精心控制Ti金属在天然气火焰上的燃烧热解过程，成功获得了化学改性的n-TiO?，并实现了TiO?的碳掺杂，这一创新性的成果显著提高了其可见光活性，使吸收边红移至535nm，为拓展二氧化钛在可见光区域的应用奠定了基础。Asahi等学者采用非金属N替换了TiO?纳米晶中0.75%的晶格氧，成功制备出一种置换氧位的TiN?掺杂态且与TiO?带隙相匹配的可见光响应光催化剂，这一突破使得可见光光催化降解有机污染物取得了关键性进展，极大地推动了光催化技术在实际环境净化中的应用。Nagaveni等以TiO(NO?)?为前驱体，采用溶液-燃烧法制备了锐钛型TiO???C?纳米晶光催化剂，该催化剂在紫外光与可见光下对亚甲基蓝和丙酮等有机污染物展现出良好的降解性能，进一步丰富了锐钛矿型二氧化钛复合物的制备方法和应用研究。

国内在该领域的研究也取得了长足的进步。众多科研团队致力于开发新型的制备工艺，以实现对复合物结构和性能的精准调控。一些研究通过巧妙地控制反应条件和原料配比，成功制备出具有特殊形貌和结构的锐钛矿型二氧化钛复合物，显著提高了其光催化活性。例如，通过溶胶-凝胶法与水热合成法相结合，制备出的二氧化钛/石墨烯复合物，充分发挥了石墨烯优异的电子传输性能和二氧化钛的光催化性能，在光催化降解有机污染物和光解水制氢等方面表现出卓越的性能。此外，还有研究聚焦于探索新的复合体系，将锐钛矿型二氧化钛与其他功能性材料复合，如与过渡金属氧化物、半导体量子点等复合，以拓展其应用领域和提升综合性能。在环境治理方面，国内的研究成果已成功应用于工业废水处理和室内空气净化等实际场景，展现出良好的应用效果和市场前景。

1.3研究内容与方法

本研究旨在深入探究锐钛矿型二氧化钛复合物的制备工艺、光催化性能及其影响因素，具体研究内容如下：

制备不同类型的锐钛矿型二氧化钛复合物：运用溶胶-凝胶法、水热合成法等多种方法，制备锐钛矿型二氧化钛与石墨烯、碳纳米管、过渡金属氧化物等材料复合的复合物。通过精确控制反应条件，如温度、时间、反应物浓度等，系统研究不同制备方法和条件对复合物结构和形貌的