光催化材料的研究进展较早，至今已发表了很多的文献，自从1972年Fujishima 和Hongda ^[1] 在《Nature》上发表了关于TiO₂电极上光解水的论文以来，高效和高稳定光催化剂的制备一直是光催化材料研究的主题: 1976年Carey ^[2]等在光催化降解水中污染物方面开展了开拓性的工作，自此，TiO₂光催化技术得到了迅速发展，从最初的太阳能光解水，延伸到自洁净功能材料，以及环境光催化技术等诸多领域，开辟了光催化技术在环保和能源领域的应用。^[3]随着人们对环境和能源问题的日益关注，人们从各个领域对TiO₂光催化行为进行了深入的研究，探讨其光催化机制，并致力于提高光催化效率，如今TiO₂已广泛应用于环境中污染物的降解^[4]、产氢^[5]、CO₂还原^[6]、太阳能电池^[7]、表面自洁^[8]等。虽然光催化原理有待进一步阐述，但是光催化研究仍然是当今研究热点。

近年来，随着纳米技术和先进表征技术的兴起，光催化技术研究得到迅速发展，在基于半导体TiO₂催化剂的有机物转化方面取得了巨大成就。这项新技术具有能耗低、操作简便、反应条件温和、反应速度快、无二次污染等突出优点，,能有效地将有机污染物转化为无机小分子，达到完全无机化的目的。许多难降解或用其他方法难以去除的物质，如氯仿、多氯联苯、有机磷化合物、多环芳烃等也可以利用此方法去除。此外，还可以用于无机污染废水的处理、有害气体去除和菌类的杀灭和化学合成等领域。

采用光催化还原二氧化碳，将太阳能转化为太阳能燃料被认为是可再生能源替代化石燃料来解决能源和环境问题的有效手段。但常规的光催化材料只能在紫外光照射下才能进行反应，光利用效率低。而太阳光则是一种连续光谱，也是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，因此研究能受可见光激发的光催化剂则是光催化材料研究的另一个重要分支。文献中，TiO₂-WO₃复合材料被证明是一种高效的可见光驱动的光催化剂，这是由于其具有较高的电荷分离度。^[9]但TiO₂材料对光催化还原有机物的效率仍然很低，远远不能满足工业应用的要求。随着新着新思路、新方法、新理论和新材料的出现，在解决TiO₂基光催化剂太阳能转换的关键科学问题上可能会取得一些进展:首先是开发新方法将TiO₂的光吸收波长扩展到长波区域（即可见光区）;其次是开发新方法能够使TiO₂的光生电子和空穴有效分离;然后是开发新型助催化剂用于TiO₂光催化还原有机物;最后，应更加深入地研究和分析TiO₂光催化还原有机物的机理，为新材料的设计提供更有力的理论依据。现如今，可用于TiO₂基光催化剂光还原有机污染物的原理及其改性的方法包括金属沉积^[10]，离子掺杂，染料光敏化^[11],冰水淬冷^[12]，电喷雾法^[13]等。

1925年Taylor提出了活性中心的概念^[14]（active center，即活性位active site）。他认为化学吸附和催化反应并不是在催化剂的整个表面上，而是在少量的表面活性中心上发生的。根据这一观点，反应物的化学吸附是光催化反应的一个先行步骤，也就是说光催化反应与表面吸附是密切相关的。由电荷载体动力学的调节，缺陷工程常用于改善光催化活性。^[15]半导体异相光催化中，光生电子和空穴界面迁移动力学便是影响其光催化性能的决定性因素。TiO₂一直是半导体异相光催化研究的原型材料，利用其来展开光催化过程电荷动力学和光催化性能的关联具有代表性。但由于表面能最小化原理，在晶体生长过程中，具有高催化反应活性的{001}面通常会迅速消失，所以大多数可用的锐钛矿TiO₂晶体是由热力学稳定的{101}面形成的(根据伍尔夫结构，占比超过94%)。^[16]因此，制备具有可控晶型面的均匀、高纯度锐钛矿单晶仍然是一个挑战。人们发现在TiF₄表面，这种相对稳定性是相反的:{001}在能量上优于{101}。故而利用F-选择性蚀刻和对TiO₂{001}面掺杂，可以通过缩短空穴的传输路径并在{001}面引入Ti³ 和氧空位，极大地加速光生载流子的分离。所得样品在可见光照射下也显示出更优异的光催化性能，为开发高效光催化剂提供了直接的空间电荷分离策略。^[17]

通过电子界面迁移活化氧分子是半导体异相光催化的主要特征，当前对气相TiO₂电子界面迁移到氧的迁移动力学及其光催化性能的具体关联了解不够。影响TiO₂材料光生电子到O₂界面迁移动力学的结构因素有很多。因为不同界面的化学环境不同，其对氧气界面迁移过程有可能产生影响，并进而最终影响光催化性能。故研究有高催化活性的TiO₂{001}面的反应机制对相关光催化机理的进一步阐明有重大意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

2.1.1材料合成

利用水热法合成不同晶面暴露的纳米结构TiO₂材料，通过调节反应条件实现不同晶面比例的调控。

2.1.2 材料表征

采用现代分析测试技术对利用水热法合成的TiO₂材料的晶体结构、形貌和化学成分进行表征，学会相关数据处理和分析。