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随着全球人口激增和经济高速发展，资源耗竭、环境污染和生态破坏等问题日益突出，尤其是水资源短缺、水污染恶化已经成为全球共同关注的焦点。以半导体纳米材料为基础的光催化材料，可以有效地降解有机污染物和灭活微生物，为解决水体污染提供了新思路。近年来科研工作者发展出一系列高效的光催化材料，大大提高了对于太阳能的利用效率。然而，现有的光催化材料在失去外界光源的能量供应之后将不能产生电子-空穴对，从而无法生成活性基团，其反应活性迅速丧失，无法继续对环境中的污染物进行处理。因此，现有的光催化材料无法仅利用太阳能来持续处理环境中的污染物，必须在太阳光能之外配置辅助光源才能在黑夜中持续具有反应活性。这将会严重制约着光催化净化技术的实际应用:一方面，辅助光源系统必然增加成本与能耗;另一方面，很多的环境污染处理并不适宜无间断光照条件。针对此问题，非常有必要开发出具有光生电荷存储与释放能力的光催化材料（我们将其称之为具有“记忆”效应的光催化材料），即光催化材料储存其在光照条件下产生的高能光生电子，在光照关闭后通过释放这些储存电子产生活性氧基团，从而使其能在无光条件下较长时间保持活性。这将能够充分利用太阳光能全天候地对环境中的污染物进行无间断的处理。 目前仅有的几种具有“记忆”效应的光催化材料均为复合材料，它们的光吸收组元和电子存储组元通过异质结相连，为了使光生电子能够高效传输，要求不同组元之间具有非常好的接触面和能带匹配，这在很大程度上增大了构筑该类光催化材料的难度。基于以上问题，本论文拟研究具有光催化“记忆”效应的单相光催化材料，这样一方面可以避免构筑异质结的困难，另一方面能够极大拓宽具有“记忆”效应的光催化材料的选择范围。主要结果和结论为: 一、通过合金化和阳极氧化的方法，成功制备了单相的W掺杂TiO2纳米管光催化材料。W掺杂离子在TiO2导带下方引入了一个较浅的杂质能级(电位为～-0.04VNHE)，使得在紫外光照射时W离子能够通过改变自身价态，由W6+转变为W5+，捕获来自TiO2的光生电子。光照关闭后，W离子捕获的光生电子被缓慢释放并与O2发生双电子还原反应生成H2O2，从而能够在黑暗条件下实现对大肠杆菌的“记忆”杀灭。通过XPS分析和电化学测试，发现经过8h紫外光照射，约23.5％的W6+转变为W5+。通过W离子体相掺杂，首次成功地将光催化“记忆”效应引入到单相光催化材料中。 二、通过后续NH3气氛热处理的方法，在已制得的W掺杂TiO2纳米管阵列的基础上，将N离子引入到锐钛矿晶格中，成功制备了单相的W/N共掺杂TiO2纳米管光催化材料。由于W/N共掺杂极大地减小了锐钛矿的禁带宽度并降低了光生电子和空穴的复合几率，W/N共掺杂TiO2纳米管光催化材料具有显著提高的可见光响应能力和可见光光催化性能。更加有趣的是，N离子的引入，使得材料的光催化“记忆”效应由紫外光波段拓展到可见光波段，大大提高了对太阳光的利用效率。W/N共掺杂TiO2纳米管材料的可见光光催化“记忆”效应的实现依赖于W离子通过改变自身价态在可见光照射下捕获来自TiO2的光生电子，在光照关闭后释放这部分光生电子并与O2发生双电子还原反应生成H2O2。XPS分析和电化学测试结果显示经过8h可见光预先照射，约16.6％的W6+转变成W5+。 三、通过合金化和阳极氧化的方法，成功制备了单相的Mo掺杂TiO2纳米管光催化材料。Mo掺杂离子在TiO2导带下方引入了一个杂质能级（电位为～0.06VNHE），在紫外光照射时Mo离子能够通过改变自身价态，由Mo6+转变为Mo5+，捕获来自TiO2的光生电子。光照关闭后，Mo离子捕获的光生电子被缓慢释放并与O2发生双电子还原反应生成H2O2，从而能够在黑暗条件下实现对大肠杆菌的杀灭和对甲基橙的降解。XPS分析和电化学测试结果显示经过8h紫外光预先照射，约20.5％的Mo6+转变成Mo5+。通过将W掺杂离子替换为Mo掺杂离子，成功地拓展了具有“记忆”效应的单相光催化材料体系，证明了体相掺杂变价金属以获得“记忆”效应的普适性。 四、以W掺杂TiO2纳米管材料为代表，研究了体相掺杂型TiO2纳米管光催化材料的“记忆”效应机制及其它潜在的应用。由XRD测试结果显示W掺杂TiO2纳米管材料在紫外光照射时发生数量级为～0.1％的晶格膨胀，在光照关闭后可自行回复。这是由于紫外光照射使部分W6+变为W5+时，离子半径增大，导致晶格膨胀。第一性原理模拟计算结果与实验结果相符，证明了晶格膨胀机制的合理性。晶格膨胀的同时伴随着材料微观应变和应变能密度的增大，当光照关闭后，晶格膨胀产生的应变能成为晶格回复的驱动力，也就是光生电子释放的驱动力。通过适当的材料设计，这种光致晶格可逆膨胀与其导致的光、电、磁性质变化还可以在其它材料体系中得以实现。晶格的可逆膨胀，实现了将光学信号转换为力学信号，从而可以应用于纳米级光波探测器和致动器等领域。