近年来，随着全球范围内的能源短缺和环境污染问题的加剧，人类的生存和可持续发展已经受到了严重的影响。作为一种具有广阔前景的解决方案，半导体光催化技术受到了人们的广泛关注，因为它可以直接利用自然的太阳光进行一系列氧化还原反应，比如将水分子分解为氢气燃料或者进行人工光合成和光电化学转化，以及将环境有害物质完全分解矿化等。对于光催化来说，新型、高效光催化材料的开发与应用一直是研究的主流之一。与其它半导体相比，二氧化钛具有无毒，活性高，稳定性好和来源丰富等显著优势，成为了目前最有应用潜力的一种光催化剂。因此，加强二氧化钛基纳米材料新颖结构的设计与开发应用，探讨其结构与性能之间的关系具有重要意义，并将进一步促进半导体光催化技术的发展。本论文选取锐钛矿和板钛矿介稳相TiO2为研究对象，研究它们的合成，晶相转变，形貌特别是晶面调控与光催化性能的关系。主要结果总结如下:　　(1)锐钛矿TiO2纳米晶的形貌调控与光催化性能:通过溶液化学的调控分别合成出了{101}晶面超过90％的锐钛矿TiO2纳米菱形六面体和{001}晶面暴露约达65％的锐钛矿TiO2纳米片。研究发现，催化剂单位表面积上光解水产氢和降解有机物染料的活性顺序相同，即菱形六面体＞不规则颗粒＞纳米片。尽管菱形六面体表面上的Ti5c活性位数目较少，然而由于其具有较负的导带电势能够产生还原性更强的电子，从而表现出了优良的光催化活性;而纳米片则由于F-离子的吸附以及经过碱洗过程可能减少和破坏了高能{001}表面上的活性位点，因此导致了其光催化性能的下降。　　(2)二氧化钛锐钛矿向板钛矿的晶相转变与板钛矿纳米晶的水热生长:研究了水热条件下锐钛矿向板钛矿转变的动力学，发现晶相转变过程遵循溶解-沉淀机制。确定出了相变的活化能为Ea=48±8 kJ/mol，该值与锐钛矿生长的活化能相近却远低于锐钛矿向金红石转变的活化能。锐钛矿和板钛矿在结构上的相似性以及它们在热力学上的相对稳定性是引起晶相转变的重要原因。此外，伴随着晶相的转变，锐钛矿和板钛矿纳米晶的形貌、晶格应变以及微结构也发生了相应的变化，并且板钛矿纳米晶同时表现出了取向连接(OA)和奥斯特熟化(OR)生长行为。　　(3)板钛矿TiO2的形貌调控与光催化性能:采用水热法合成出片状，花状和纺锤体状板钛矿TiO2样品，其中，片状样品裸露出{210}，{101}和{201}晶面，而花状和纺锤体状样品则没有显示出特定的暴露面。光催化性能测试显示，花状和纺锤体状板钛矿TiO2基本没有降解染料分子的活性，相反，板钛矿纳米片表现出了非常优异的光反应性，甚至超过了P25 TiO2。纳米片这种高活性与其{101}高能晶面的暴露，和{201}氧化面以及{210}和{101}还原面对光生电子-空穴对复合过程的有效抑制有关。　　(4)板钛矿纳米晶负载贵金属颗粒及其对MO的选择性光催化转化:通过板钛矿TiO2纳米片在光照条件下实现Ag，Au，Pt和Pd颗粒的负载构筑了金属-半导体异质结构催化剂。TEM测试显示，金属颗粒主要沉积于纳米片的{210}晶面上。XPS测试表明，负载的Ag，Au和Pt颗粒均以金属态的形式存在，而Pd颗粒主要为金属态并含有少量的+2价态。UV-vis吸收数据显示，Ag-TiO2和Au-TiO2样品分别显示出了位于525和550 nm左右的金属表面等离子体共振吸收峰。TPR测试证实，贵金属的负载显著降低了载体还原峰的温度。通过MO的光催化反应说明，Ag-TiO2和Pd-TiO2没有改变TiO2载体直接催化分解MO的反应方式，相反，Au-TiO2和Pt-TiO2在催化过程中则先将MO分别转变成m/z值为290.5和320.0的中间有机物种，然后再将其逐渐地分解掉。　　(5)板钛矿TiO2的晶面比例调控与光催化性能:通过调变水热反应的参数制备出了具有不同长径比和晶面暴露情况的纯相板钛矿TiO2纳米晶。研究发现，较高的长径比和氧化还原晶面的共存都能够促进光生电子和空穴的有效分离，然而催化剂的电荷载流子的复合速率越低并不一定表明其活性越好，光催化活性的高低是由半导体的表面原子结构和电子能带结构共同决定的。随着板钛矿纳米晶中{101}和{201}晶面比例的增加，催化剂表面上更多的Ti4c和Ti5c配位不饱和原子促进了水分子的解离吸附，导致了更多·OH自由基的形成;同时催化剂的导带最小值位置出现了显著上移，从而有利于形成还原性更强的电子增强其产生氢气的活性。