二氧化钛（TiO₂）作为一种高效、稳定且环境友好的光催化剂,在环境与能源领域有着广泛应用。如何设计和合成TiO₂基材料催化剂、优化其性能、探索其作用机制是环境和能源领域的研究热点。本论文以提高TiO₂的光催化性能为目标,开展TiO₂的物相、掺杂、晶面和机理等四个方面的研究工作,基于TiO₂材料的创新设计,力图通过简单温和的合成方法制备出高效的TiO₂催化剂,并评估其光催化性能和探索光催化机理,为提升其在污染物降解和能源转化中的作用提供科学依据。主要研究内容和取得成果如下:1.金红石/锐钛矿两相比例可控的相结TiO₂催化剂的合成和光催化应用。利用简单的一步煅烧法,通过调控原料中Ti³⁺与HCl的比例,在低于相变温度下制得金红石/锐钛矿相比例可控的相结TiO₂催化剂,并应用于有机污染物的光催化降解和氢气的产生。结果显示,在光催化过程中,适当的物相比例可以增强金红石/锐钛矿两相的协同作用;合适的物相比例TiO₂催化剂能够产生更多有效的活性界面,从而促进光催化过程中的电子转移。2.金红石/锐钛矿两相比例可控的硼掺杂TiO₂催化剂的合成和光催化应用。使用钛和硼混合物作为前驱体,在低于相转变温度下利用一步煅烧方法,合成了一种金红石/锐钛矿比例可调控的硼掺杂TiO₂,并应用于农药阿特拉津的光催化降解。锐钛矿和金红石之间形成的相结可以促进电子的传递,从而实现更有效的电子分离;而掺杂的硼则作为一个电荷陷阱,能够有效地介导电子的传递;所制备的硼掺杂的TiO₂表现出更高的光催化降解阿特拉津的能力,其降解速率为未掺杂催化剂的4倍;通过对光生活性物相以及反应中间产物的分析,阐述了反应过程的机理。由此发展了一种制备相结光催化剂的新方法,并证明通过掺杂原子的方式能够调节锐钛矿和金红石的比例。3.铂（Pt）负载高暴露（001）晶面的锐钛矿TiO₂的合成及其光催化应用。理论计算模拟表明,负载Pt的特定TiO₂晶面能够增强其光催化性能;受之启发,采用简捷绿色的合成路线制备了（001）和（101）晶面双暴露且晶面上均匀负载Pt纳米颗粒的多面体TiO₂纳米光催化剂,并应用于一种典型的有机污染物-硝基苯的光催化降解。结果表明,通过在TiO₂的晶面上均匀地负载Pt纳米颗粒,显著提升了硝基苯的光降解效率和光转化效率,而仅仅将Pt纳米颗粒负载在（101）晶面上却无此效果。由此建立了一种基于晶面表面设计和优化、针对污染物光氧化/还原的催化剂的新制备路径。4.（001）晶面刻蚀锐钛矿TiO₂微球催化剂的合成和光催化应用。通过一步水热反应合成了非化学计量的锐钛矿TiO₂微球,其具有高暴露的（101）晶面。所制备的TiO₂微球在光催化产氢方面表现出很高的活性,与既无刻蚀又无掺杂的锐钛矿相比,其光催化产氢速率提高了 3.4倍;锐钛矿TiO₂的（101）晶面能够产生和传递更多的还原性电子,从而促进光产氢;通过飞秒时间分辨瞬态吸收光谱分析,发现自掺杂的Ti³⁺可以作为活性位点捕获的电子和转移到（101）晶面的电子共同强化其还原作用。所制备的TiO₂可成为一种廉价、高效的新型光催化材料。5.TiO₂光催化氧化还原活性位点的微观解析。在利用高暴露（001）晶面的TiO₂的光催化氧化还原反应过程,选取中性红和刃天青等氧化还原染料,利用荧光显微镜研究单颗粒上的光催化染料分子荧光变化,实现了 TiO₂光催化剂空间分辨的荧光测量,并发现单颗粒TiO₂的氧化还原活性位点都位于相似的棱附近;利用共聚焦显微镜与时间分辨仪研究单颗粒TiO₂的时间分辨电子寿命和荧光光谱,发现在棱附近处荧光强度最高,且电子寿命最长。该方法提供了不仅为TiO₂光催化反应机理研究提供了有力的工具,而且适合于非均相催化系统和生物系统中氧化还原反应的实时观测。