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能源危机和环境污染是当前人类面临的重大问题。半导体光催化技术在环境治理、能源转化和存储等领域已经展示出广阔的应用前景。二氧化钛(TiO2)具有原料丰富、化学/光化学性质稳定和安全无毒等优异特点，被认为是最重要的一类光催化剂材料。然而，由于二氧化钛的带隙较宽（如锐钛矿相TiO2禁带宽度约为3.2 eV，仅可以吸收整个太阳光光谱中大约5％的紫外光部分）以及光生载流子容易复合的缺点，导致其光催化效率较低，无法满足实际应用的需求。为此，人们进行了大量的研究工作以提高二氧化钛的光催化性能。近年来，研究发现二氧化钛光催化过程和性能具有晶面依赖效应。这一晶面效应为发展高活性二氧化钛光催化剂材料和研究光催化机理提供了一个崭新的思路。本论文基于二氧化钛晶面效应，发展了简便、适用的材料制备技术，构筑了活性晶面暴露的二氧化钛光催化剂和光电极，采用光电化学方法研究了其光催化性能，并探讨了材料结构与光催化活性的内在关系。本论文的主要内容包括以下几个方面: 1.采用简单的水热法合成了{001}和{101}晶面暴露的锐钛矿相二氧化钛纳米晶（暴露比＞85％），并制备了相应的纳米晶光阳极。基于单分子层吸附规律和非原位吸附量测量方法，提出一种简单而有效的测量光阳极有效催化活性表面积的光电化学方法，用于归一化不同光阳极的光电流，并比较了{001}和{101}面暴露光阳极对水和有机物的光催化氧化活性。结果表明，锐钛矿{001}面的光催化氧化活性明显高于{101}面（前者大约是后者的3倍）。此外，采用原位光电化学方法测量了光催化氧化水和有机物瞬时动力学常数，进一步证实了锐钛矿{001}面比{101}面具有更高的光催化活性。本部分工作为研究光催化剂晶面结构与光催化活性的内在关系以及设计新型高活性光催化剂材料奠定了坚实基础。 2.在以上研究基础上，采用基底保护的水热法在FTO导电玻璃基底上原位生长了{001}面暴露的锐钛矿相二氧化钛纳米片薄膜，并系统研究了种子层厚度和溶液酸性等因素对纳米片薄膜的形貌、纳米片尺寸和{001}面暴露比的影响。对比研究了{001}面暴露的光电极煅烧前后的光电催化氧化水性能，结果表明高温退火使其光电催化性能显著提高（提高了2.6倍）。采用简单的光电化学方法表征了{001}面光电极退火前后的本征光催化电阻，进而揭示退火后光电极光催化性能提高的机理。结果表明，高温退火有利于电极表面氟离子的去除，有效地降低了光催化剂薄膜的光催化电阻，因而提高了光电子在催化剂中的传输能力，使光电极的光催化活性显著提高。 3.提出并采用原位时间序列水热方法实现了在锐钛矿相二氧化钛{001}晶面上选择性生长TiO2超结构纳米晶。系统地研究了反应条件如时间、温度、反应物浓度等对材料形貌、结构和尺寸的影响，进而提出了超结构纳米晶在{001}面上选择性生长的机理和过程。光电催化氧化水性能测试结果表明，具有超结构纳米晶的TiO2光电极展现出比单纯暴露{001}面TiO2电极更高的光催化氧化活性（前者是后者的1.85倍）。高的光催化性能可能归因于这种超结构有利于入射光的吸收利用和特殊结构有利于光生载流子的分离。本部分工作为设计和发展高性能TiO2复杂而有序结构材料提供了新的思路和途径。 4.采用水热法在FTO导电玻璃上制备了{110}面暴露的金红石相TiO2纳米线阵列薄膜。发现在这种合成体系中，FTO导电玻璃基体非导电面的部分溶解使Si元素进入反应溶液，进而获得Si元素包含的金红石相TiO2纳米线阵列膜。进一步，通过新型的原位H2S气相水热处理方法实现了Si元素在TiO2纳米线阵列膜中的掺杂（掺杂浓度约为1％）。Si元素在TiO2纳米线阵列膜中的掺杂可以有效提高光催化剂中载流子浓度和传输能力，从而显著提高其可见光光催化活性（提高了2.8倍），这已经被光电催化氧化水的实验证明。本部分工作为发展高效可见光活性TiO2光催化材料提供了简便、廉价、有效的制备技术和元素掺杂方法。