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随着全球化石能源的枯竭以及环境问题的日益严重，越来越多研究者把目光投向了光解水制氢的研究。自从Fujishima和Honda发现TiO2可以光解水制氢以来，TiO2这种价格低廉、光稳定性好、相对高效的半导体催化剂，仍然是未来最有可能大规模应用的光催化材料之一，是研究者长期关注的重点。但是利用TiO2光解水制氢，同时产氢和产氧的速率都非常低。为了提高产氢速率，通常采用添加空穴牺牲剂（如乙醇）的方式，通过消耗光生空穴减小光生电子和空穴的复合几率，从而大幅度提高氢气的产生速率。然而，使用牺牲剂面临着光解水体系成本增加和二次污染的问题，这严重的限制了太阳能光解水制氢的实际应用。虽然有研究者开发新型光催化剂能够高效光解水同时产氢和产氧，避免体系中使用牺牲剂，这似乎是一种最为理想的光解水制氢路线。但是，大幅降低此类光催化剂的成本并提高其稳定性的道路还有很长。目前，利用稳定价廉的TiO2光催化剂，在光解水高效产氢的同时，将有机牺牲剂选择性地氧化为高附加值的化学品，不失为一个既能确保产氢效率又可增加过程经济性能和环境友好性能的双赢策略。
TiO2的催化性能依赖于其结构，包括形貌和晶型等。本论文重点研究了TiO2纳米结构的调控，包括晶型调控、水热法合成纳米管机理及纳米颗粒的晶型和孔结构调控，并在合适结构的TiO2上实现了光解水产氢耦合光催化牺牲剂乙醇高选择性地氧化转化为高附加值的2，3-丁二醇。同时，对光催化体系的反应原理也获得了初步的认识。主要内容如下:
1.采用水热法调控TiO2纳米结构，发现金红石相和锐钛矿相TiO2在碱液中转化为钛酸盐的速率有很大差异。基于此，开发出通过控制TiO2纳米颗粒的结构一步水热法合成不同晶型纳米管的技术，制备出纯锐钛矿纳米管、混晶纳米管和纯金红石纳米管。
2.通过捕获中间产物，发现水热过程中TiO2纳米结构的形成遵循一个逐渐进化的机制。在整个进化过程中定向附着(OrientedAttachment，OA)机理起到了至关重要的作用，尽管奥斯瓦尔德熟化机理（OR机理）也在起作用。
3.通过调变TiO2晶型结构和孔结构，成功地实现了光解水产氢与牺牲剂乙醇选择性氧化的耦合。
4.首次在TiO2上实现了有机物的C-C偶联，利用牺牲剂乙醇，高选择性地合成了高附加值的2，3-丁二醇（选择性96.6％）。同时，产氢速率也保持在较高的水平。反应过程如下所示:
2CH3-OH-CH2hv→TiO2CH2-OH-CH-OH-CH-CH3+H22，3-丁二醇
5.初步获得并实验验证了乙醇选择性氧化C-C偶联的机理，发现光催化过程中·CH(OH)CH3自由基在催化剂表面的脱附和扩散是控制C-C偶联的关键。
6.在TiO2光催化剂上，成功地将异丙醇和正丙醇分别高选择性地氧化为频哪醇和3，4-己二醇，二者选择性分别高达93％和95％，产氢速率也保持在较高水平。反应过程如下所示:
2CH3-OH-CH-CH3hv→TiO2CH2-OH-C-CH3-OH-C-CH3-CH3+H2频哪醇
2CH3CH2CH2-OHhv→TiO2CH3CH2-OH-CH-OH-CH-CH2CH3+H23，4-己二醇