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纳米二氧化钛是一种重要的绿色环保材料，因具有带隙能适中，对污染物吸附能力强、光催化效率性高，可催化多种污染物，无毒、反应条件温和、操作简便、可减少二次污染等特点而日益受到人们的关注，在废水处理、空气净化、抗菌杀菌、防晒护肤、功能陶瓷等诸多领域有着诱人的应用前景。
本研究以钛酸四丁酯为钛源、无水乙醇为溶剂、浓硝酸为抑制剂，采用溶胶凝胶法来制备纳米二氧化钛光催化剂。考察了原料配比、pH值、自然陈化时间、干燥方式、煅烧温度以及煅烧时间对纳米TiO<,2>晶型组成、形貌、粒径大小以及催化活性的影响。
研究了TiO<,2>纳米颗粒硬团聚现象形成的机理，利用非均相共沸蒸馏工艺对溶胶凝胶法形成的胶体进行脱水处理，防止干燥和煅烧过程中硬团聚体的形成。通过X射线衍射、场扫描电子显微镜、差热分析等表征制得纳米粉体，结果证明：非均相共沸蒸馏工艺能够有效地脱除二氧化钛制备工艺中的水份，制得了颗粒分散性较好、疏松的TiO<,2>纳米粉体。
通过实验确定了TiO<,2>纳米粉体的实验室制备工艺流程及工艺条件。同时，利用X射线衍射、场扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、差热分析、紫外可见吸收光谱等对所制得的二氧化钛粉体进行了表征，研究了TiO<,2>粉体在煅烧过程中的粒径、晶相变化以及其光催化活性。
为进一步提高纳米二氧化钛光催化剂的活性，在深入分析二氧化钛光催化机理的基础上，采用金属离子掺杂的方法对二氧化钛光催化剂进行改性研究。选取了金属离子Fe<3+>、pb<2+>、Ni<2+>、zn<2+>、Sr<2+>作为掺杂元素，采用溶胶一凝胶法制备了掺杂改性的纳米二氧化钛光催化剂。通过X射线衍射及场扫描电子显微镜分析，考察了各金属离子掺杂对二氧化钛粉体的晶型结构、晶粒尺寸的影响。通过降解模拟氧化乐果废水，研究了各离子掺杂对二氧化钛光催化活性的影响，确定了最佳掺杂煅烧温度以及最佳掺杂比例，初步探讨了金属离子掺杂对二氧化钛粉体光催化活性影响的机理。
在单一金属离子掺杂改性的基础上，本论文首次采用Pb-N、Ni-N、Fe-N等三种体系对二氧化钛进行共掺杂改性。通过紫外可见吸收光谱，考察了共掺杂二氧化钛纳米晶对可见光的吸收能力。在可见光(350<λL<450 nm)范围内，对甲基橙溶液进行光催化降解，考察了共掺杂体系的光催化活性，确定了最佳的共掺杂比例，并初步探讨了共掺杂提高二氧化钛粉体光催化活性的机理。研究表明，三种体系共掺杂改性TiO<,2>纳米晶的吸收边均较单一掺杂纳米晶发生了不同程度的红移，对可见光的吸收有了明显提高；对于可见光下甲基橙的光催化降解，共掺杂纳米晶的催化活性均高于单一掺杂的TiO<,2>纳米粉体，共掺杂元素间起到了良好的协同作用，促进了光催化活性的提高。