以TiO2、Cr2O3和MoO3为主要原料，采用固相反应法合成了金红石型Ti1-2xCrxMoxO2(x=0、0.05、0.10、0.15、0.20)色料。研究了Cr/Mo共掺杂量和煅烧温度对Ti1-2xCrxMoxO2色料的晶型结构、呈色性能和微观形貌等的影响。研究结果表明，5%~15%摩尔分数的Cr/Mo等量共掺杂都获得单相金红石型结构黑色色料，均可促进锐钛矿向金红石转变，且Mo掺杂有利于提高Cr在TiO2晶格中的固溶度。随Cr/Mo共掺杂量增加，样品的黑度(L*值)呈先减小后增大的趋势，而红色度(a*值)和黄色度(b*值)都表现出相反的趋势。煅烧温度在950~1 100 ℃时，样品的色度参数变化相对较小。在1 100 ℃煅烧得到的Ti0.70Cr0.15Mo0.15O2色料黑色呈色性能最佳，其L*、a*和b*值分别为24.41、2.12和-2.53，且在陶瓷釉中表现出良好的呈色性能和化学稳定性。适量Cr/Mo共掺杂使TiO2晶格产生畸变和电荷缺陷，从而吸收绝大部分可见光，是其呈现黑色的主要原因。

通过检测人体呼出气体中的微量丙酮可以筛查出早期的糖尿病患者, 因此寻找能进行微量丙酮气体灵敏探测的材料是一个研究热点。本文计算4d金属杂质Mo、Ru、Rh、Ag掺杂金红石相SnO2(110)表面吸附丙酮分子后的表面电荷布居(氧化还原性能)、态密度、光学性质以及吸附稳定性, 讨论了4d金属杂质掺杂对金红石相SnO2(110)表面光学气敏传感特性的影响。研究结果发现: 各金属杂质对表面的氧化还原性能都有着不同程度的影响; 4d电子在费米能级附近形成杂质峰, 其中Ru-4d电子引入的杂质峰最大, 离费米能级最近, 对SnO2的禁带宽度改善最大; Ru掺杂对于金红石相SnO2(110)表面在可见光范围内(400~760 nm)的光学性质的改善相对于Mo、Rh、Ag掺杂也有着较大的优势; 所有的掺杂表面都能自发吸附丙酮分子, 吸附后稳定性为: Ru＞Rh＞Ag＞Mo。结论表明, Ru掺杂的SnO2作为较为有效的丙酮光学气敏探测材料, 有望通过探测人体呼出气体中的丙酮从而达到改善糖尿病的早期发现和诊断的效率。

采用溶胶-凝胶法制备了金红石型TiO2/ZnTiO3复合光催化剂, 对其进行650 ℃保温1 h的热处理; 通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)对样品进行表征, 并以亚甲基蓝(MB)溶液为目标污染物, 研究了样品的光催化性能。结果表明, TiO2为金红石结构, 随着Zn/Ti量比增加, TiO2晶粒尺寸减小; 当Zn/Ti的量比达到2%时, 有新相ZnTiO3生成。TiO2/ZnTiO3(Zn/Ti=8%)展现出最高的光催化活性, 这归因于表面羟基含量增加以及形成的TiO2/ZnTiO3半导体复合结构加快了光生电子与空穴的转移。反应进行90 min后, 对MB的降解率达到68.3%, 反应速率常数k为0.012 min-1, 分别为纯TiO2的1.85倍和3倍。

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法计算了金红石TiO2(110)纯净表面以及掺杂N、掺杂Rh和N/Rh共掺表面吸附CO分子后的光学气敏传感特性。研究发现:纯净和掺杂表面吸附CO分子后均表现出光学气敏传感特性,其原因是表面氧空位的氧化作用;而N/Rh共掺杂对表面氧化性改善得最多,吸附CO分子后吸附距离最小,吸附能最大,稳定性最好,且易于实现。因此,相比于纯净及单掺杂体系,N/Rh共掺杂表面对气体有更好的光学气敏传感效应,是一种改进TiO2光学气敏传感材料的良好方式。

浙江省青田县的青田石为我国四大图章石之一。 青田石均为原生矿, 属于硐采图章石。 开采出的青田石具有丰富的颜色, 但是其中红色品种的青田石较少, 一般为特征的暗红棕色。 对产自青田县山口矿区的4种红色青田石: 红花冻、 红花、 石榴红、 桔红石进行了谱学研究, 主要采用了偏光显微镜、 X射线粉末衍射(XRD)、 以及拉曼光谱(LRM)对组成它们的主要和次要矿物成分和颜色成因进行了初步探究。 在偏光显微镜下, 对四种红色青田石薄片样品中颜色的分布形态进行了详细观察。 其中, 红花冻和桔红石的红色部分呈颗粒状、 团块状浸染分布于基体中, 而石榴红和红花的红色部分呈点状、 脉状侵染分布于基体中。 在XRD测试中, 对它们的主要矿物成分和次要矿物成分进行了研究, 并对其进行了青田石种类归属。 红花冻、 红花和石榴红的主要矿物成分为叶腊石, 三者属于叶腊石型青田石。 叶腊石存在1Tc和2M两种多型。 根据XRD衍射谱中19°~22°(2θ)和28~31°(2θ)处衍射峰形态和具体峰位, 可知红花冻主要为2M型叶腊石组成, 含有1Tc型叶腊石; 红花和石榴红主要为2M型叶腊石组成。 其中红花冻的次要矿物成分为地开石, 红花的次要矿物成分为石英, 石榴红的次要矿物成分为云母; 桔红石的主要矿物成分为地开石, 属于地开石型青田石。 地开石存在有序→无序的结构特征, 根据地开石XRD的(020), (110)和(112)衍射峰强度特征, 可知石榴红中地开石的有序度较高。 桔红石中次要矿物成分为石英。 拉曼光谱对红色青田石的次要和微量矿物成分进行了研究, 并主要对红色部分的矿物成分进行了探测, 以确定红色青田石的颜色成因。 测试结果显示, 四种红色青田石均含有赤铁矿。 此外, 红花冻中还存在硬水铝石和金红石; 红花中还含有大量石英以及少量硬水铝石和金红石; 石榴红中还含有硬水铝石和金红石; 桔红石中还含有石英。 红花冻、 红花和桔红石为赤铁矿微晶致色, 而石榴红的为金红石微晶致色。 因此, 所研究的四种红色青田石均属于杂质矿物致色。

TiO2是一种广泛应用的无机金属氧化物半导体材料，利用掺入杂质来改善TiO2的光催化和光电转换性能已成为近年来研究的热点。采用密度泛函理论体系下第一性原理的平面波超软赝势方法研究了单N 掺杂、单Cu掺杂和N-Cu共掺杂金红石相TiO2的电子结构和光学性质。结果表明：N与Cu共掺杂后，由于N2p电子与Cu3d电子协同作用，在TiO2禁带中产生了新的杂质能级。其中一条处于稳态，另一条处于亚稳态，电子跃迁能有效减小，更有利于光生电子-空穴对有效分离，大大改善了TiO2的光催化性能。N 与Cu 共掺杂使TiO2 的光吸收系数曲线在可见光区发生了比单N 掺杂和单Cu掺杂更大的红移，反射率也增大。

提高TiO2光催化活性已成为近年研究的热点。选取第一过渡金属Cu 与Cr 共同掺杂金红石相TiO2，运用基于密度泛函理论体系下的平面波超软赝势方法探讨了Cu-Cr 共掺杂对金红石相TiO2电子特性和光学性质影响的微观机制。结果表明：Cu-Cr 共掺杂TiO2在禁带中形成了5 条新的杂质能级，其中价带顶的一条杂质能级主要是Cu3d 轨道的贡献，而费米面附近的4 条亚稳态杂质能级主要由Cr3d 轨道和O2p 轨道相互作用产生，有效减小了电子的跃迁能，改善了TiO2的光催化活性。Cu-Cr 共掺杂也改善了TiO2的光学性质，使光谱红移，反射率增大，对可见光的吸收和反射能力比单掺杂更稳定。

光学气敏材料吸附气体分子后导致光学性质发生变化，运用这一原理来检测环境中的气体成分，称为光学气敏效应。采用基于密度泛函理论(DFT)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法，研究了光学气敏材料金红石相TiO2(110)表面吸附H2S分子的微观特性，计算了TiO2(110)表面吸附能、电荷密度、态密度和光学性质的变化。结果表明，TiO2最稳定的表面是终止于二配位O原子的(110)面，只有含有氧空位的表面才能稳定吸附H2S，且氧空位比例越高，越有助于H2S吸附于表面；表面吸附H2S以水平吸附方式为主，在氧空位比例达到33%时，吸附能为0.7985 eV；吸附的实质是表面氧空位具有氧化性，氧化了H2S分子。在可见光400~760 nm范围内，存在氧空位的TiO2(110)表面吸附H2S后都可改善表面的光学性质。氧空位缺陷浓度越高，改善材料对可见光的吸收和反射能力越强，光学气敏响应能力越佳。

研究光学气敏材料吸附气体后的光学气敏特性是气敏传感研究的热点问题。研究了金红石相TiO2(110)面吸附NH3的微观机制和光学气敏特性。结果表明，NH3分子容易被含氧空位缺陷的金红石相TiO2(110)面所吸附，且提高表面氧空位的比例，有利于NH3稳定吸附。表面吸附NH3分子以负电荷中心向下为主，当氧空位比例为33%时，吸附能为1.7313 eV。表面吸附NH3为化学吸附，NH3的H原子被还原而N原子被氧化。含氧空位的表面吸附NH3在可见光1.5~3.1 eV范围内，表面氧空位比例越大，其对可见光吸收和反射能力越强，光学气敏性越灵敏。

基于密度泛函理论, 采用第一性原理赝势平面波方法计算了Co、Cr单掺杂以及Co-Cr共掺杂金红石型TiO2的能带结构、态密度和光学性质. 计算结果表明: 纯金红石的禁带宽度为3.0 eV, Co掺杂金红石型TiO2的带隙为1.21 eV, 导带顶和价带底都位于G点处, 仍为直接带隙, 在价带与导带之间出现了由Co 3d和Ti 3d轨道杂化形成的杂质能级；Cr掺杂金红石型TiO2的直接带隙为0.85 eV, 在价带与导带之间的杂质能级由Cr 3d和Ti 3d轨道杂化轨道构成, 导带和价带都向低能级方向移动；Co-Cr共掺杂, 由于电子的强烈杂化, 使O-2p态和Ti-3d 态向 Co-3d 和 Cr-3d态移动, 使价带顶能级向高能级移动而导带底能级向低能方向移动, 极大地减小了禁带的宽度, 也是共掺杂改性的离子选择依据. 掺杂金红石型TiO2的介电峰、折射率和吸收系数峰都向低能方向移动；在E<2.029 eV的范围内, 纯金红石的ε2、k和吸收系数为零, 掺杂后的跃迁强度都大于未掺杂时的跃迁强度, Co-Cr共掺杂的跃迁强度大于Co掺杂及Cr掺杂, 说明Co、Cr共掺杂更能增强电子在低能端的光学跃迁, 具有更佳的可见光催化性能.