分子氧的循环在自然界中是一个极其重要的过程,无论是在生物体的能量代谢中,还是在各类航空航天推进剂等氧化过程中,分子氧的活化与利用都有着不可替代的研究价值。分子氧大量存在于空气中,体积分数约占21%,是来源最为广泛最为廉价的、最纯净最绿色的氧化剂,但基态分子氧处于三重态,是较为稳定的自旋状态,难以直接参与到分子级别的过程中,需要通过激发和活化而产生相应的活性氧物种（ROS,Reactive Oxygen Species）来与反应物分子进行反应。本文主要针对分子氧活化的方式展开研究,从催化剂表界面调控的层次构筑了吸附-活化分子氧的TiO_2-x@C材料体系,并对其活化分子氧的能力进行了细致全面的研究,同时对该体系中活化分子氧的路径和机制以及体系的普适性进行了探究。论文的主要研究内容如下:1.不同缺陷含量TiO_2-x@C材料对于分子氧活化作用的研究通过不同还原温度的调节,以TiO₂（P25）和葡萄糖为前驱体,合成了不同缺陷含量的TiO_2-x@C材料,并对其活化分子氧的能力进行了定性和定量的研究。当焙烧温度为850 ^oC时,其产生的H-P25-850 ^oC@C样品具有最高的氧缺陷浓度（17.5%）,并且具有最高的活性氧物种（超氧自由基和单线态氧）产生速率。同时,其产生的活性氧物种在无光照污染物降解、电化学氧还原、无溶剂乙苯氧化和癌细胞的抑制生长等方面均展现出不错的效果。此外,TiO_2-x@C材料体系中同时存在Ti³⁺与O_v（氧空位）,并且在高温还原的过程中,表面碳层和氧空位同时形成,其之间较为紧密的相互作用得到了证实,正是这种相互作用保存了氧空位上局域电子的特性,使得活化分子氧在氧空位上成为可能。2.TiO_2-x@C材料对于分子氧活化作用的机制研究通过不同还原方式的调节,构建了不同表界面状态（化学计量比表面、氧空位表面和碳层包裹的氧空位表面）的TiO₂材料,并分别对其活化分子氧的能力进行了研究。（1）在化学计量比的TiO₂表面（即在空气中焙烧的样品）,O₂分子并不存在相应的活化位点,只存在较弱的物理吸附作用;（2）在只含有氧空位的TiO₂表面（即纯氢气焙烧的样品）,其表面氧空位理论上是可以作为活化分子氧的位点的,但在实际条件下往往由于空气中H₂O分子的参与,使得O₂分子和H₂O分子在TiO₂表面发生“质子转移”形成端位羟基从而占据氧空位,也就使得此时的氧空位失去了活化分子氧的能力;（3）而在碳层包裹的氧空位TiO₂表面(即TiO_2-x@C材料体系),表面碳层有效地抑制了H₂O分子的吸附,对氧空位起到了一定的保护和稳定作用,而局域在氧空位上的电子则保留了活化分子氧的能力。此外通过DFT计算模拟了这几种情况下O₂和H₂O分子单独以及共同在TiO₂表面的行为,证明了表面碳层的保护作用。3.TiO_2-x@C材料体系界面调控的拓展研究通过不同种类前驱体（不同晶型晶面的TiO₂和不同种类的碳层前驱体）的调节,研究不同界面状态下的TiO_2-x@C材料体系对于分子氧的活化作用,也对表面碳层的形成过程进行了初步的探索。此外,将TiO_2-x@C材料体系扩展到其他金属/非金属氧化物,同样具备一定的分子氧活化能力,只是对氧化物本身的表面结构有一定的要求,这也为以后更为精确地构筑能够活化分子氧的表界面结构做了铺垫。