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微纳结构的TiO2不仅具有纳米尺度的超结构，而且具有内部疏松结构所形成的表面皱褶及内部多孔特征，通过修饰改性可以成为具有优异吸附和光催化性能的功能材料，在环境检测和治理方面具有重要的应用。本论文以二氧化钛为研究对象，利用水热法合成了不同形貌的微纳结构氧化钛，结合其形貌特点进行不同的过渡金属Fe、Ag等的掺杂，探讨微纳结构氧化钛在环境检测和治理方面的具体应用。由于氧化钛的光电转化的本质是产生光生电子，本论文中结合实例具体分析了光生电子在不同应用中所起的作用。
对于三重分级结构的TiO2微纳管，通过还原法获得了Fe2+掺杂的TiO2催化剂，研究了其光催化降解性能。所制备的Fe2+/TiO2催化剂对Cr(Ⅵ)具有显著的痕量降解移除能力，而且能便捷、经济地磁回收并经简单的酸处理后重复利用。通过此项研究工作，提出了一种新的光催化降解Cr(Ⅵ)的途径，即氧化钛的光生电子以Fe2+离子为媒介的两步还原法。
研究了网状球壳TiO2微纳结构在紫外光辐照下对重金属离子的吸附性能。发现TiO2球壳对pb2+离子具有快速高效的痕量吸附能力，分析表明这种能力源于网状球壳TiO2纳米晶组成的疏松网状微纳结构及TiO2光生电子的共同作用。通过对不同离子的吸附比较，证明了TiO2球壳对重金属离子的吸附方式是借助O2-与金属离子形成共价键;发现影响吸附性能的主要因素是离子半径与电负性共同决定的共价键的强弱，并且离子半径比电负性的影响更大。
通过化学还原法将Ag纳米粒子沉积到TiO2微米花的表面，研究了Ag掺杂TiO2微纳结构在可见光或紫外光辐照下的光致变色现象和在红外波段尤其是两个大气窗口(3～5及8～12μm)的吸波性能。发现Ag掺杂TiO2微纳结构红外强吸收源于其纳米晶的基本结构单元及多孔的微纳结构。Ag纳米粒子掺杂的复合体系红外吸收性能可通过改变掺杂的银纳米粒子的尺寸和浓度以及不同的光辐照条件实现可控调节。
通过蒸银修饰构筑出Ag掺杂海胆状金红石相TiO2纳米棒SERS衬底，研究了该衬底的SERS活性，SERS活性点的分布及失去SERS活性后快速恢复方法。研究结果表明，银修饰的海胆状TiO2超结构具有很强的、而且高度均一拉曼增强效应。分析表明，其优良的拉曼散射性能源自高度均一分布的SERS活性点。根据不同光照后的SERS对比实验，提出了一种快速有效的SERS活性恢复方法，即利用TiO2的光生电子快速还原被氧化的银离子。