现阶段能源危机和环境污染已成为人类面临和亟待解决的重大课题。光催化技术为我们提供了一种有效的解决能源和环境问题的有效手段。从本质上说,光催化技术是利用光来激发半导体,利用它们产生的电子和空穴来参加氧化-还原反应。氢是理想的清洁能源,其热效率是汽油的3倍,而且使用后不会产生任何污染。在众多氢能开发的手段和途径中,利用半导体光催化材料,直接把太阳能转换为以H2为载体的化学能的太阳能光解水制氢过程具有清洁、廉价、低能耗的特点,是最为理想和最有前途的氢能开发手段之一。除此之外,光催化材料能利用太阳能降解和矿化环境中的污染物,或将其变废为宝,转变为其他如甲醇、乙醇等有用的工业原料。因此光催化技术在解决能源和环境问题方面有重要的应用前景。二氧化钛作为一种优良的宽禁带半导体材料,具有优良的光催化活性,自上世纪70年代以来,一直都是光催化领域研究的重点,目前已经初步实现了产业化。然而,由于其禁带宽度较宽,仅能吸收利用占太阳光谱不足5%的紫外光,严重影响了其光催化效率。因此,拓展二氧化钛等宽禁带半导体的光谱响应范围,对进一步提高光催化材料,推动光催化技术的发展及其实用化都具有重要的意义。基于人们对纳米材料结构与性能关系的研究,人们发现,材料的性能不仅取决于材料本身的组分,还跟材料的微结构,如：形貌、表面状态、电子结构等微观因素有关。因此,结合纳米材料的调控手段,对材料的这些微结构参数进行调节,从而改善材料本身的性能,具有重要的研究价值和实际意义。因此,本论文以Ti基半导体光催化材料作为主要研究对象,结合微结构调控手段,对Ti02的晶相、形貌、尺寸以及Ti基层状化合物的晶体结构进行调控,从而拓展这些宽禁带半导体光催化材料的光谱响应范围并提高光生载流子的分离效率,提高它们的光催化性能。具体研究内容主要分为以下几部分：第一章中,简要介绍了半导体光催化技术的基本原理、主要应用及研究现状。随后介绍了几种常见的微结构调控手段,以及材料的微结构调控对光催化性能的影响,并介绍了TiO2和几种Ti基半导体光催化材料的晶体结构、电子结构及其研究现状和存在的问题。本章最后提出本论文的选题意义及主要研究内容。第二章中,我们研究了TiO2晶相和形貌对光催化性能的影响。通过简单的水热方法合成了暴露{110}晶面的分等级金红石TiO2微米球,系统研究了微米球的形貌、结构,通过观察不同反应阶段产物的形貌演变规律探讨了其生长过程。通过调节实验参数对其进行微结构调控,以光催化分解水制取氢气来评价其光催化性能,得出不同微结构样品的光催化活性差异,分析了达到较高光催化活性的原因。利用TiCl3在有机溶剂乙二醇中的水解反应制备了具有可见光响应的混合相TiO2。研究了不同原料比例所制备的样品的结构及形貌变化,分析了产生不同晶型产物的原因,对不同样品的光吸收性质进行了研究,实验结果表明,所合成样品有效扩展了TiO2的可见光响应范围。以2,4-二氯苯酚为降解对象表征其在可见光下的光催化活性,证明其具有良好的可见光降解特性。第三章中,通过对TiO2进行改性,如：氢化、氮化及直接水热等不同处理方法对TiO2进行表面改性,拓展其光谱响应范围,获得一系列具有较强可见光吸收的TiO2材料,并研究了其相应的光催化性质。以TiOF2立方块为前驱体模板,氢气氛中退火制备出氢化TiO2样品。通过改变氢化温度、时间分析研究最佳反应条件。利用XPS,红外等表征手段对其进行表面分析,发现在氢气中退火后,TiO2中存在少量Ti3+,并且其表面含有更多的Ti-OH键。通过对比氢气中和空气中退火样品的光催化分解水制氢实验,发现H-TiO2体现出更高的光催化活性。利用直接水热方法,以TiSi2为原料在HF调控下合成出具有高活性晶面{001}晶面暴露的蓝色TiO2。研究了反应温度、时间以及HF浓度对反应产物的影响。样品在可见区域的吸收显著增强。通过降解染料研究了其可见光下的光催化性能。微结构调控合成了NH4TiOF3前驱体微米片,将其在氮气氛中退火得到黄色N掺杂片层状TiO2粉末。XPS测试结果表明,N元素成功掺杂入TiO2中。经氮化处理的样品,其可见光吸收显著增强,氮化时间延长,光吸收增强程度加剧。第四章中,研究了Ti基含铋层状化合物光催化材料和合成及其光催化性能。通过水热方法合成了具有分等级结构的Bi4Ti3O12微米球。通过观察不同反应阶段的产物晶相结构及形貌演变,探讨了其生长过程。研究了使用不同的钛源作为原料和不同矿化剂浓度对产物微结构的影响,对比了不同微结构样品光催化活性差异。通过简单的一步水热法合成出新型光催化材料Bi2TiO4F2纳米片,并首次研究了其光催化性质。通过第一性方法计算了其电子结构,得到其带隙跃迁类型。以光催化降解罗丹明B染料和苯酚溶液来评价其光催化性能,并提出一种可行的光催化反应机理。第五章中,对本论文内容进行了总结,分析和探讨了现有研究工作存在的问题,并对未来的工作进行了展望。总之,Ti基半导体材料是一类重要的光催化材料,具有多种优良性质。基于材料结构同性能之间的关系,通过采用微结构调控手段,对Ti基光催化材料进行改性,从而提高其光催化活性。这对进一步推动光催化技术的发展和解决能源和环境问题中的实际问题具有重要的科学价值和研究意义。