半导体材料是光催化反应的关键因素,在众多光催化剂候选物中,如硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）、磷化铟（InP）、二氧化钛（TiO₂）、三氧化钨（WO₃）、氧化银（Ag₂O）、硫化银（Ag₂S）、氧化亚铜（Cu₂O）、钼酸铋（Bi₂MoO₆）和钨酸铋（Bi₂WO₆）等,而在这些半导体中,TiO₂是研究较早且相对较好的光催化剂,并在紫外（UV）区域具有很高的光活性。为了更好地探究TiO₂在光催化降解污染物方面的应用,人们不断地探索降低TiO₂禁带宽度提高光吸收（能带调控）和提升其量子产率（电荷空间分离）的方法。本论文选用简单、高效的水热合成法,重点研究了纳米TiO₂管状材料。它独特的一维结构、大的表面积和强的吸附能力,可以提高TiO₂电子传递效率和光催化性能。根据结构和性能的相互关系,通过对纳米TiO₂管状材料进行掺杂设计、功能化复合来获得高效的光催化材料。第一部分采用溶胶-凝胶法制备TiO₂和水热法合成TiO₂纳米管,并以尿素为氮源对其进行氮掺杂。通过多种表征手段对不同焙烧温度下的TiO₂、TiO₂纳米管、氮掺杂TiO₂和氮掺杂TiO₂纳米管的晶型、形貌、光学性质和光催化活性进行了探究。得出催化剂最佳焙烧温度为400℃时,TiO₂纳米管的形貌较为完整,管形均匀整齐,并且氮掺杂TiO₂后带隙有所减小（UV-vis光谱上）,拓宽了TiO₂对光的吸收范围。以罗丹明B为模拟污染物,在可见光照射5h后,TiO₂原料几乎没有光催化活性,而氮掺杂TiO₂纳米管在可见光照射5h,降解率接近76%,高于TiO₂原料的降解率,相比较之下氮掺杂TiO₂降解率为59%。第二部分探究了TiO₂/石墨烯、石墨烯/TiO₂纳米管复合材料的光催化性能。尤其是考虑了石墨烯的不同配比对石墨烯/TiO₂纳米管复合材料光催化效果的影响。结合石墨烯的高导电性和复合半导体的性质,对复合材料的高效光催化性能进行了合理的解释,并探讨了其光催化反应机理。以罗丹明B为模拟污染物,在光照射1.5h后,TiO₂纳米管仅降解了24%、3:100降解了57%、5:100的降解率高达73%、10:100降解了38%,其中5:100光降解率最高,表现出优异的光催化性能。总之,氮掺杂TiO₂纳米管具有良好的可见光光催化活性,拓宽至可见光区域。石墨烯/TiO₂纳米管较好的解决了载流子分离问题。根据结构与性能的相互关系,通过掺杂设计、功能化复合来提高纳米管的光催化性能,对光催化在环境治理方面有重要意义。