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纳米材料由于具有独特的物理和化学性质，在许多领域中都有着广泛的应用。当前，严峻的环境问题直接影响到人类的可持续发展，而纳米科技的发展为环境问题的解决带来很大的希望。在纳米科技、环境保护和绿色化学相互结合的大背景下，本论文致力于开发纳米材料简易经济的制备方法，设计和构筑结构新颖的纳米功能材料，并研究它们在水处理和纳米催化等领域中的应用。
本论文的主要内容包括如下三部分：
(一)基于改进的多元醇介导合成法制备金属氧化物微纳材料及其应用研究
利用改进的多元醇介导合成法，以廉价的无机铁盐作为原料，成功制备出具有三维花状微纳结构的氧化铁前体。通过考察氧化铁前体的形貌随反应时间的变化情况可知该演化过程是一个两步生长过程。在前体的制备过程中，尿素起着至关重要的作用，它的加入促使Fe(Ⅲ)和乙二醇之间的配位螯合反应不断进行。通过在不同的条件下灼烧氧化铁前体，很容易分别得到三种氧化铁，即α-Fe2O3、Fe3O4和γ-Fe2O3。这三种氧化铁纳米材料都保持着与前体一致的三维花状微纳结构，同时具备微米结构和纳米结构的特征和优点。应用研究表明，所得到的氧化铁微纳材料可以作为良好的吸附剂用于去除水中的各类污染物，如As(Ⅴ)、Cr(Ⅵ)离子和有机污染物等。此外，这些氧化铁微纳材料也可以作为良好的气敏材料用于气体检测，同时在锂离子电池电极材料方面亦显示了良好的应用前景。
利用同样的制备方法，以无机铈盐代替无机铁盐，可以制备出具有三维花状微纳结构的CeO2前体，且前体的形貌演变过程也是一个两步生长过程。通过对所得到的CeO2前体进行灼烧，可以得到形貌维持不变的CeO2。该CeO2纳米材料不仅可以作为很好的吸附剂用于去除污水中As(Ⅴ)和Cr(Ⅵ)等有毒离子，还可以作为Au纳米颗粒的良好催化剂载体应用于催化CO氧化。
这种改进的多元醇介导合成法具有很大的普适性，还可以用来制备具有三维花状微纳结构的La2O3和具有多孔纳米球结构的NiO。所得到的La2O3和NiO纳米材料也同时具备微米结构和纳米结构的特征和优点，因此在催化、传感和能源等领域有着广泛的应用前景。
(二)纳米多孔TiO2球与TiO2基复合纳米材料的制备及其应用研究
通过对由乙醇酸钛组成的TiO2前体进行原位水解，无需任何模板剂的参与就可以很方便得到比表面积大、孔隙率高的纳米多孔TiO2球。该方法制备简单、反应条件温和且原料廉价无毒。所得到的纳米多孔TiO2球既可以作为一种良好的吸附剂用于去除污水中的有毒As(Ⅴ)离子，也可以作为一种性能优异的光催化剂用于降解有机污染物。以所得的纳米多孔TiO2球为基还可制备出多种TiO2基复合纳米材料，如SnO2/TiO2、Ct2O3/TiO2和C/TiO2复合纳米球，其中的C/TiO2复合纳米球可以作为一种性能优异的锂离子电池负极活性材料，在高充放电倍率下依然保持较高的电容量。
(三)基于原位还原法制备贵金属负载型纳米催化剂及其催化性能研究
基于原位还原法成功地往多羟基二氧化钛前体表面负载Pd纳米颗粒。该制备方法的核心是利用连接上去的Sn2+离子的还原能力对PdCl2进行原位还原，还原出来的单质Pd附在载体表面，可作为种子用于进一步生长。通过控制PdCl2的加入量可以方便地调控Pd的负载量。在所得到的Pd负载型纳米催化剂中，Pd纳米颗粒在载体表面分布均匀且吸附牢固，在很高的负载量下也没有脱落和团聚。我们还考察了所得的Pd负载型催化剂在催化中的应用，发现其对Suzuki碳-碳连接反应具有很强的催化活性，并且在重复利用多次后催化性能没有明显降低。采用同样的原位还原方法，我们还成功制备出Ag、Au负载型催化剂及Ag-Au双金属负载型催化剂，表明该制备方法具有很大的普适性。