中文摘要：

非金属掺杂对TiO2的可见光催化活性有显著影响。目前非金属元素在TiO2晶格中占据的位置及其可见光响应机制尚无定论。揭示非金属掺杂TiO2的局域结构和电子结构与可见光活性的关系，对于构建高效光催化体系具有重要的理论和实际意义。申请者前期研究发现不同反应条件制备的掺杂F、C、P、S、Si、N等非金属元素TiO2的可见光活性相差很大。因此本课题提出利用软硬X-射线吸收精细结构（XAFS)研究不同条件制备掺杂TiO2的微观结构（局域结构和电子结构）的差异。掌握非金属元素、O和Ti的局域结构和电子结构，以及非金属原子在TiO2晶格中占据的位置。建立非金属掺杂TiO2的微观结构模型，为掌握其可见光响应机制提供科学依据。利用密度泛函理论计算非金属掺杂对TiO2能带结构的影响，阐明非金属掺杂TiO2的可见光响应机制等基础科学问题。为实现从原子和电子水平上操控TiO2的可见光性能提供理论基础。

结论摘要：

非金属掺杂对TiO2的可见光催化活性有显著影响。目前非金属元素在TiO2晶格中占据的位置及其可见光响应机制尚无定论。揭示非金属掺杂TiO2的局域结构和电子结构与可见光活性的关系，对于构建高效光催化体系具有重要的理论和实际意义。申请者系统研究了P、S、Si、N、F、C等非金属元素掺杂对TiO2的晶型、形貌、尺寸、光学性质以及可见光催化活性相差的影响。利用软硬X射线吸收谱研究不同条件制备的掺杂TiO2局域结构和电子结构的差异。通过测定Ti的K边、L边，O的K边，C的K边，S的K边等，考察TiO2局域结构和电子结构的变化情况，推测非金属原子在TiO2晶格中占据的位置。结合密度泛函理论计算的非金属掺杂TiO2的微观结构模型，推测P、S、Si、N、F、C等非金属元素掺杂对TiO2电子能带结构的影响。研究结果表明（1）P、S、C、F掺杂有利于获得锐钛相TiO2。通过改变掺杂量，可以调控金红石相和锐钛相的比例。P、S、Si、N、F、C的掺杂均可减小TiO2的带隙能。（2）P、S掺杂导致第一壳层Ti-O键变短，第二壳层Ti-Ti键变长；Si掺杂引起第一壳层Ti-O键变短。带隙能变窄的原因可能是掺杂元素在价带之上形成了掺杂能级。（3）C掺杂使锐钛型TiO2的第一壳层Ti-O键变长，第二壳层Ti-Ti键变长。C不仅替代了TiO2晶格中Ti的位置，而且形成了一些新的间隙位C物种，还有氧空位的存在，致使TiO2的价带上形成新的电子占据态，在导带下形成高密度空态，费米能级上移，更易于产生电子，有利于光催化反应的进行。（4）首次发现F掺杂使TiO2的光吸收波长红移，带隙能变窄。原因是掺氟后在TiO2的费米能级和价带之间引入了大量的电子占据态。本研究初步阐明非金属掺杂TiO2的可见光响应机制等基础科学问题，为实现从原子和电子水平上操控TiO2的可见光性能提供理论基础。 项目取得的主要成果有目前在国内外期刊上发表论文10篇，其中SCI收录2篇，其他论文正在整理投稿中。培养毕业硕士研究生6名。