● 摘要
半导体多相光催化是一个很有应用前景也很具挑战性的研究领域。目前多数的研究工作是从粉体合成角度研究半导体的光催化过程，这些研究普遍存在催化剂应用过程中难分离的问题。本文以TiO2薄膜作为研究对象，从半导体固定化角度研究了光催化薄膜的制备、结构及其与材料光催化性能的关系；并针对半导体光催化过程中光生载流子（电子与空穴）向反应物种发生转移时存在的差异，设计并制备了新型的贵金属连通微网格修饰的TiO2复合薄膜，建立了关于连通微网格分离、传输光生载流子，有效实现载流子分离与共用的理论模型，取得了TiO2薄膜材料的光催化性能显著提高。为了充分发挥TiO2材料的光催化特性，本文还设计和制备了TiO2材料二维平面的三维构筑结构，并探索了TiO2在玻璃纤维以及长余辉材料表面的固定化应用，这些研究丰富了半导体光催化性能改进研究的思路。本文中涉及的薄膜制备方法包括磁控溅射、溶胶浸渍-提拉以及分子静电自组装，各种方法获得的TiO2薄膜具有不同的微结构和载流子传输特性，从而导致了样品光催化性能的差异。浸渍-提拉薄膜由于具有颗粒堆积的致密结构，其表层与深层颗粒中的光生载流子之间存在“共振损耗效应”，影响了薄膜的光催化活性；由于染料可以吸收可见光，所以在光催化过程中半导体与染料能够同时吸收光子，表现出了促进光催化进程的染料“协同吸光效应”。文中发明了涡旋界面组装法实现了大面积有序微球模板阵列的快速制备，并应用该模板在TiO2薄膜表面上获得了连通的金属Ag与Au的微网格，尽管文中的金属的附着量超过了的传统金属修饰理论含量，但该网格仍能够较大地提高TiO2薄膜的光催化性能，这主要的原因是金属网格的修饰一方面增强了对反应物中的吸附，另一方面也增强了半导体中的光生载流子的分离与传输作用。本文还利用溶胶微球模板浸渍-提拉技术在基片表面设计制备了具有特殊构筑结构的TiO2阵列薄膜，通过简单地控制浸渍胶体的浓度，获得了不同形貌的TiO2阵列薄膜，该薄膜具有较大的表面积，能够较充分吸附染料分子并有效利用光能，从而实现了光催化降解染料能力的提升。 本文最后将TiO2光催化材料在玻璃纤维以及长余辉材料表面进行了固定化研究，成功研制了光触媒水净化器、空气净化器以及具有多功能的蓄能光催化涂层，探讨了TiO2在各应用方式下的对空气和水中污染物的净化性能。