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能源短缺和环境污染是当今人类社会面临的两大危机，太阳能作为清洁能源具有弥补人类未来能源需求的巨大潜力。光催化与光伏器件是两种能将太阳能转化为化学能和电能的有效途径。高性能半导体光催化材料是保证太阳能被高效转化利用的前提。在众多光催化材料中，二氧化钛(TiO2)因其紫外光下效率高、化学稳定性好、无毒性、成本低廉等优点，在过去40多年研究中一直备受关注。为了提高TiO2的光催化性能，人们对其进行了晶体生长控制、掺杂、异质结构复合等多种改性研究。 晶面调控是提高光催化材料性能的重要手段之一。本论文主要围绕锐钛矿TiO2的晶体合成与晶面调控、开发合成高反应活性晶面的新方法，同时研究高活性晶面的物理化学特性、反应机理和应用，为提高TiO2催化材料的性能和开拓应用提供新的依据和设计思路。 通过精确控制前驱体TiOSO4和形貌控制剂HF的浓度，水热合成出含{001}、{101}、{010}晶面比例不同的锐钛矿TiO2单晶颗粒，并对其进行晶体结构、表面化学态和表面电子结构等表征。由于锐钛矿{010}晶面含有100％未饱和五配位Ti原子(Ti5c)，同时{010}晶面具有比{001}和{101}晶面更高的导带底位置，所以在去除形貌控制剂F-离子后，富含{010}晶面的样品在羟基自由基测试和光催化产氢测试中表现出更高的反应活性。 通过水热处理层状钛酸盐Cs0.68Ti1.83O4和H0.68Ti1.83O4，制备出了具有不同尺寸的富含{010}晶面的锐钛矿TiO2棒状单晶，并对水热反应过程和反应条件进行了研究。由于所含高活性的{010}晶面比例更高，纳米尺度的TiO2棒状单晶具有更宽的禁带宽度和更高的导带底位置。虽然其比表面积只有商用TiO2 P25的50％，但在染料敏化太阳能电池(DSSC)中，这种TiO2棒状单晶表现出了与P25相当的性能，而在光催化还原二氧化碳的测试中，具有比P25更高的反应活性。 富含{001}晶面的硼掺杂的锐钛矿TiO2微米球被应用于DSSC的工作电极。通过设计三种不同的半导体薄膜结构，考察了TiO2微米球在DSSC中的作用。发现硼掺杂的锐钛矿TiO2微米球具有双重作用:1）微米粒径和{001}晶面暴露使得微米球具有良好的光反射作用，能够提高工作电极对光的捕获，促进染料对光的吸收;2）通过替代形式掺杂的硼原子能提高材料的电导率，促进电子在半导体薄膜内部的传输。最终微米球与P25的混合工作电极使DSSC的效率提升了23％。