21世纪，工业化进程快速推进，随之而来的是严重的环境污染和能源危机。光催化技术由于可以直接将太阳能转换为化学能而得到广泛关注，开发高效、实用、环境友好的光催化材料以缓解环境污染和能源危机已经成为一项急迫的工作。TiO2由于其独特的性质而被认为是最接近实用化的光催化剂，并且已经在自清洁、空气净化和杀菌等方面的应用取得了进展。但是，TiO2的量子效率和太阳能利用率偏低，在现有基础上进一步深入研究对推动其实用化进程将具有积极的作用。　　本文以多模式协同增强TiO2的光催化活性为主线，从晶体可控合成、非金属元素掺杂改性、红外上转换材料复合和纳米TiO2在磁驱动柔性阵列上的试探性应用方面对TiO2光催化剂的结构优化、光生电子-空穴的产生与分离效率、可见-近红外光催化活性拓展、增强传质与有效固载等关键因素进行讨论。　　(1)含有{001}晶面锐钛矿TiO2的结构调控与光催化活性优化。采用水热法通过对HF体积浓度和水热反应温度的系统调节制备了一系列含有{001}和{101}晶面的锐钛矿TiO2，并对其结构和光催化活性进行分析，建立初步的“构-效”关系。180℃下，增加HF的浓度可以提高TiO2表面吸附的F离子和{001}晶面的百分含量，直至～100％。当HF浓度从0增加到70％时，TiO2的结晶度和颗粒尺寸逐渐提高，其中HF浓度为60％时制备的样品（颗粒尺寸:100 nm，{001}晶面百分含量:73％）具有最佳的光催化活性。HF浓度超过80％后，TiO2结晶不完善，光催化活性急剧下降。水热反应温度提高到200℃和240℃可以在TiO2内部引入Ti3+拓宽其响应光谱，但不利于整体光催化活性的提高。研究也初步表明TiO2的禁带宽度由{001}和{101}中的非主导晶面决定，有机反应体系可以避免{001}晶面的腐蚀，但{001}晶面含量较高时易于相互粘贴。　　(2){001}和{101}晶面的相对氧化还原活性及协同作用。将含有{001}和{101}晶面的微米TiO2生长于钛片上，静态下在TiO2表面进行Pt和PbO2的定向沉积研究{001}和{101}晶面的相对氧化还原活性。研究表明还原活性顺序为:{001}和{101}晶面交接的棱边＞{101}晶面＞{001}晶面，氧化活性顺序为:{101}晶面＞{001}晶面。{001}晶面的存在有益于增加整体光生载流子数量，同时使光生电子从{101}晶面向{001}晶面定向迁移，促进光生电子和空穴的有效分离。Pt在{101}表面的定向沉积相对于无序沉积更具优势，可以增强{101}晶面的氧化还原能力和整体光催化活性。　　(3)原子尺度上利用能带工程原理以维持{001}和{101}晶面稳定和拓展可见光光催化活性为目标，在400℃下分别于空气氛围中利用NH4F以及在惰性氛围中利用尿素、氢气对TiO2进行掺杂改性，进一步研究掺杂引起的结构演变和光催化活性之间的“构-效”关系。①空气氛围中相互粘贴的{001}晶面之间易于融合生长，NH4F热分解产生的HF可以维持单颗粒和融合生长颗粒的{001}晶面，NH4F和TiO2质量比分别为1、2、4和6时，TiO2的尺寸从原始的100 nm分别增加到400 nm、500nm、1μm和2μm，同时晶体中的Ti3+的缺陷浓度逐步减少，在500 nm之前的可见光吸收能力逐步增强。当NH4F和TiO2质量比为4时得到的光催化剂具有合适的结构和掺杂浓度，可以显著提升光催化活性。②氮气和氢气的惰性氛围可以有效维持TiO2的颗粒尺寸和晶面稳定性。尿素掺杂可以将TiO2的响应光谱拓展到约590 nm，而氢化处理可以同时增强可见和近红外区域的光谱吸收能力。高温高压(10 bar)下氢化N掺杂TiO2(N-H协同掺杂)的效果明显优于N和H单一掺杂，N-H共掺杂会在TiO2内部产生大量Ti3+和氧空位，形成一种无序结构和缺陷带分别对价带和导带进行修饰，有益于降低光生电子和空穴的复合、增强光谱吸收和光催化活性。　　(4)微纳米尺度红外上转换光催化剂的结构与性能优化。基于TiO2吸收光谱和β-NaYF4∶Yb3+，Tm3+(Er3+)红外上转换光谱相匹配的前提，首先通过含有{001}晶面的纳米TiO2和微米β-NaYF4∶Yb3+，Tm3+的高效耦合制备了β-NaYF4∶Yb3+，Tm3+@TiO2红外上转换光催化剂，该结构中TiO2可以充分吸收上转换光谱中的紫外和可见光，提高了光能利用率。其次，为提高材料结构的稳定性，以50 nm、100 nm和150 nm的β-NaYF4∶Yb3+，Tm3+(Er3+)为核制备了β-NaYF4∶Yb3+，Tm3+(Er3+)@SiO2@TiO2红外上转换光催化剂。其中以150 nm的β-NaYF4∶Yb3+，Tm3+(Er3+)为核有益于提高材料的单分散性和TiO2的担载量。虽然β-NaYF4∶Yb3+，Er3+的发光强度是β-NaYF4∶Yb3+，Tm3+的3倍，但是其推动的红外上转换光催化效率更低，提出了选择合适发光功能离子（光子能量）在红外上转换光催化中的重要性。另外，β-NaYF4∶Yb3+，Tm3+(Er3+)的颗粒尺寸（发光强度）、激发光强度、TiO2的光谱响应能力以及结构优化对提升红外上转换光催化效率也具有重要作用。　　(5)宏观尺度上纳米TiO2在磁驱动柔性阵列上的应用。从TiO2有效固载、易于循环利用和回收的实际应用背景出发，以氧化石墨烯为媒介通过静电组装的方法将含有{001}和{101}晶面的高活性TiO2引入到本课题组研究的高效减反射磁驱动柔性阵表面。上述体系中，高分散的TiO2在阵列表面近于单颗粒层覆盖，提高了光催化剂的利用效率。磁场驱动下柔性阵列可以增强传质和矿化物质从光催化剂表面的脱离。磁场转速在800 r/min以内逐步提升时可以显著提高光催化效率，过高的转速(950 r/min和1100 r/min)将引起光催化效率的下降。上述结构提高了太阳能的利用效率，有望从结构设计方面为光催化剂的高效应用提供新思路。