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探索板钛矿基双相TiO?混晶机理及金红石TiO?光催化活性提升路径

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球工业化和城市化进程的加速，环境污染问题日益严峻，有机污染物排放、水体污染、大气污染等严重威胁着生态平衡和人类健康。传统的污染治理方法存在成本高、效率低、易产生二次污染等问题，难以满足可持续发展的需求。在此背景下，光催化技术作为一种绿色、高效的环境净化技术，受到了广泛关注。

光催化技术利用光催化剂在光照下产生的光生载流子（电子-空穴对），引发一系列氧化还原反应，将有机污染物降解为二氧化碳、水和无机小分子，从而实现污染物的无害化处理。TiO?作为一种典型的半导体光催化剂，具有高光催化活性、化学稳定性好、价格低廉、无毒无害等优点，被广泛应用于光催化降解有机污染物、光解水制氢、空气净化等领域。

然而，TiO?也存在一些固有缺陷，限制了其光催化性能的进一步提升。例如，TiO?的禁带宽度较宽（锐钛矿型为3.2eV，金红石型为3.0eV），只能吸收紫外光（占太阳光的4%左右），对可见光的利用率较低；光生电子和空穴容易复合，导致光生载流子的寿命较短，量子效率较低。这些问题使得TiO?在实际应用中面临一定的挑战。

为了克服TiO?的这些局限性，科研人员开展了大量的研究工作，其中构建双相TiO?混晶和开发金红石TiO?光催化活性是两种非常有效的策略。板钛矿基双相TiO?混晶可以充分利用不同晶相之间的协同效应，实现对光生载流子的有效分离和传输，拓展光吸收范围，从而显著提高TiO?的光催化性能。而金红石TiO?具有较高的理论光催化活性，但由于其晶体结构和表面性质等因素的影响，其实际光催化活性往往较低。因此，开发金红石TiO?的光催化活性具有重要的理论和实际意义。

本研究旨在深入探究板钛矿基双相TiO?混晶的协同效应机理，开发金红石TiO?的光催化活性，为提高TiO?光催化剂的性能提供理论依据和技术支持。通过本研究，有望解决TiO?光催化技术在实际应用中面临的问题，推动光催化技术的发展和应用，为解决环境污染问题提供新的思路和方法。

1.2国内外研究现状

在板钛矿基双相TiO?混晶机理研究方面，国内外学者已取得了一定进展。研究表明，板钛矿与锐钛矿或金红石形成混晶时，不同晶相的能带结构差异可促使光生载流子在相界面间转移，有效抑制电子-空穴对复合，从而提升光催化活性。如Jiao等利用水解法制备板钛矿/锐钛矿混晶TiO?，通过光催化降解实验证实混晶因界面形成异质结，为光生电子传输提供通道，使光催化性能优于单一晶型。田迎澳等采用水热法制备的板钛矿/锐钛矿混晶TiO?，不仅比表面积大，且板钛矿与锐钛矿结构间的协同效应抑制了光生电子–空穴的复合，在紫外灯照射60min后，对亚甲基蓝溶液的降解率高达99.0%。然而，目前对于混晶中晶相比例、界面结构与光催化性能间的定量关系，以及氧气在混晶中的转移机制等方面，仍缺乏深入系统的研究。

在金红石TiO?光催化活性开发研究中，科研人员尝试了多种方法。一方面，通过掺杂改性，如氮、硫等元素掺杂，可在金红石TiO?晶格中引入新能级，改善光吸收性能并促进光生载流子分离。另一方面，负载助催化剂也是常用策略，如将贵金属（如Ag、Au）或半导体（如WO?、CuWO?）负载于金红石TiO?表面，能够提高光生载流子的分离效率。有研究表明，加入少量钨酸铜能显著加快金红石光催化降解水中苯酚，且光催化活性增加倍数随金红石煅烧温度升高而增大。但现有研究中，开发金红石TiO?光催化活性的方法往往存在工艺复杂、成本较高等问题，且对一些改性方法的作用机制认识还不够深入，导致难以实现金红石TiO?光催化活性的高效稳定提升。

总体来看，当前研究在板钛矿基双相TiO?混晶机理及金红石TiO?光催化活性开发方面虽取得一定成果，但仍存在诸多空白与挑战。深入研究混晶机理及开发高效稳定的金红石TiO?光催化活性提升方法，对推动TiO?光催化技术发展具有重要意义。

1.3研究内容与方法

本研究将围绕板钛矿基双相TiO?混晶机理及金红石TiO?光催化活性开发展开。具体研究内容包括：首先，通过水热法、溶胶-凝胶法等制备板钛矿/金红石混晶和板钛矿/锐钛矿混晶，精确控制制备条件，如反应温度、时间、反应物浓度等，以获得不同晶相比例和微观结构的混晶样品；利用XRD、Raman、TEM、XPS等多种表征手段，深入分析混晶的晶体结构、相组成、微观形貌以及元素价态和化学环境，探究晶相比例、界面结构与光催化性能之间的内在联系，重新研究板钛矿基TiO?混晶的氧气转移机理。

其次，采用负载助催化剂（如CuWO?）和引入阴离子（如B?O?2?）、掺杂