以二氧化钛（TiO₂）为基础的光催化剂存在反应速率慢、量子化产率低、利用太阳能的能力较差等缺点并严重限制了其进一步应用,通过掺杂或引入低能级材料能有效地提高TiO₂的光催化性能。与多晶二氧化钛相比,单晶TiO₂因为其内部晶体结构连续有序,具有较高的电子电导率和较低的电子转移电阻,为有效地分离和转移光生载流子以及有机物的分解提供了直接路径。但是,与多晶相比,单晶TiO₂更难实现有效的掺杂或改性。为此,本论文在TiO₂单晶纳米棒的可控合成及其性能研究方面开展了一系列工作。在二氧化钛单晶纳米棒的制备方面,本论文采用阳离子聚苯乙烯（CPS）和二氧化钛核壳结构（CPS@TiO₂）作为前驱体,再进行水热反应,通过控制程序升温,使用CPS和TiO₂进行充分接触,最后经煅烧,实现了原位碳掺杂TiO₂单晶纳米棒的制备,从而有效地克服了现有制备碳掺杂TiO₂需额外加入碳前驱体的缺点。与商业化P25相比,所制备的碳掺杂TiO₂能较大地提高其可见光降解有机污染物如罗丹明B和对硝基苯酚的能力。尽管碳掺杂TiO₂单晶纳米棒能有效地提高TiO₂的光催化性能,但是因其掺杂的碳量较低,导致对TiO₂可见光性能的提高有限。因此,在上述基础上,本论文进一步引入可见光性能强的氧化铁（Fe₂O₃）对其进行改性,研制出Fe₂O₃改性的TiO₂单晶光催化剂（Fe₂O₃/TiO₂）。本论文创造性地利用TiO₂单晶纳米棒作为模板,经浸渍法吸附四氧化三铁,最后经程序升温煅烧,使Fe₂O₃和TiO₂实现了良好的融合,有效实现了Fe₂O₃和TiO₂的能级匹配,克服了传统Fe₂O₃和TiO₂因能级相差太大（约1eV）而难以进行融合的问题,获得了高可见光活性的Fe₂O₃/TiO₂复合材料。可见光催化实验表明,与碳掺杂TiO₂单晶相比,Fe₂O₃/TiO₂光催化剂具有更好的可见光降解硝基苯酚的能力。因此,本论文提出的碳掺杂TiO₂单晶纳米棒和Fe₂O₃改性TiO₂单晶光催化剂的制备方法,对指导制备其他半导体掺杂或改性的TiO₂单晶可见光催化剂,提供了相关的实验数据和一定的理论依据。