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1.2 二氧化钛半导体光催化材料研究的目的和意义
进入21世纪以来，人类的科学技术、工业、社会文明迅猛发展，全球工业化、科技化进程不断加剧，因此而引发的一系列环保和生态问题也不断加剧，人类的生活、生产对环境的污染变得越来越严重，城市因为工厂以及大量的尾气排放使得环境恶化，空气质量差，江河湖海的污染和生态平衡的破坏等方面的问题日益突出，环境保护已成为全人类面临的重大问题和难题。而利用太阳光对污染物进行光催化降解是解决一系列环境问题的途径之一。在过去大量的实验研究中表明，空气、水和地面上的各种有毒有害物质，工厂生产和汽车尾气中排放的各种芳烃、烷烃他们的其卤代物、多环芳烃等大多数都能通过光催化降解。因此半导体光催化材料成为了最热门的研究对象，成为科学家们和广大学者研究的重点。把取之不尽又无污染的光能的转化和应用与环境保护结合起来的光催化剂具有深远意义和发展空间。
在半导体光催化材料中，纳米二氧化钛光催化剂降解有机污染物的特点是：反应速度快、适用范围广、能充分利用到太阳光和空气中的氧分子等优点而受到广泛重视。TiO2光催化剂还具有无毒无污染、氧化能力强、价格低廉、物理和化学性质稳定等优点，在环境保护、空气净化等领域一直都处于研究发展的主要地位。
二氧化钛光催化剂的研究在近10年以来得到了飞速的发展，但是大多数的实验仍然处于理论探索和实验室阶段，尚未达到产业化规模。如何提高二氧化钛光催化剂对太阳光的利用效率和提高光生电子-空穴的分离效率，从而提高半导体TiO2光催化剂的催化活性一直被广大学者所关注。
1.3 TiO2的光催化原理
光催化的理论基础是导带-价带理论，用作光催化剂的TiO2主要有锐钛矿型和金红石型两种晶型，其中锐钛矿型TiO2的光催化活性比较高。氧化钛是一种宽禁带的半导体，锐钛矿型TiO2的禁带宽度Eg =3.2 eV，由半导体的光吸收阈值λg与禁带宽度Eg得到他们的关系式[16]：
λg (nm)=1240/Eg(eV)
当TiO2被波长小于387 nm的光照射时，能够被激发而产生光生电子-光生空穴对，光生空穴是良好的氧化剂，光生电子是良好的还原剂，大多数的光催化氧化反应都是直接的或间接的利用了空穴的氧化性[17]。半导体二氧化钛光催化剂中，光生空穴与其表面吸附的H2O或OH-反应而形成了具有强氧化性的羟基自由基，羟基自由基可以将有机污染物直接降解成二氧化碳和水。也可以形容为在水溶液中，光生电子的俘获剂主要来自吸附在半导体二氧化钛光催化剂表面上的氧，氧俘获了电子形成O2-。OH-、H2O以及有机物本身都可以充当光生空穴的俘获剂，光生空穴则将吸附在TiO2表面的OH-和H2O氧化成了具有高活性度的•OH自由基，而活泼的•OH自由基则能降解许多难以降解的有机污染物，将他们氧化为CO2和H2O[18]。光催化剂的反应机理如下：
1)光生电子-空穴对的产生： TiO2 + hv → h+ + e– (1)
2) 光生电子与水的作用： O2 + e- → O2-+ O- + O22– (2)
2O2- + 2H2O → 2H2O2 +O2 (3)