热电材料是一类能实现热能和电能之间直接相互转换的固态功能材料，它提供了一种安全可靠、清洁环保的发电和制冷方式，在回收工业废热、利用可再生能源和低温制冷等方面具有广泛的应用前景。金属氧化物热电材料由于其良好的耐高温性能，是在中高温区使用的理想候选者，而在金属氧化物热电材料中，氧化钛基化合物不仅具有优良的化学稳定性和热稳定性，而且原材料丰富、不含有毒元素以及制备工艺简单。对于氧化钛基热电材料，需要解决的主要问题是提高品质因子（ZT值）。纳米化能显著降低材料的热导率，是最近二十年提高热电性能的一条主要途径，同时，通过界面和化学组成调控增加与电学性能相关的功率因子也是一种继续提高热电性能的重要方法。　　 本文以氧化钛基化合物热电材料为研究对象，以认识纳米化、界面以及化学组成对声电输运的作用规律和热电性能优化为目的，采用水热反应法、尿素燃烧法和高温烧结等方法合成了多种具有纳米结构和化学组成调控的氧化钛基化合物，对其热电性能从实验和理论上都进行了详细研究，取得了以下主要成果。　　 采用水热反应法在10mol/L的NaOH溶液中于150℃下制备了大长径比的氧化钛基一维纳米管，并研究了它们的热电性能。研究发现氧化钛基一维纳米管具有非常低的热导率，达到0.55W/mK，同时Seebeck系数也维持在较高的水平，为300μV/K左右，但是电导率偏低，只有0.002S/m，　　 第一次采用水热反应法在10mol/L的NaOH溶液中于150℃下制备了掺铌氧化钛基纳米管和纳米片的混合物，然后通过水相中离子交换法合成了Ag2O纳米颗粒负载的氧化钛基纳米管和纳米片的混合物，最后以其为前驱物通过高温烧结制备了氧化钛和银复合型微/纳块体材料，并研究了它们的热电性能。研究发现，金属银纳米颗粒的嵌入明显增加了氧化钛基化合物的功率因子，这是因为银和氧化钛接触界而处的载流子能量过滤效应和欧姆接触引起的。尽管热导率由于银的掺入有了小幅上升，但其ZT还是有所提高，大约提高了2倍，在973K时最大值为0.083。　　 通过对氧化钛基一维纳米管中的Na+浓度进行调控，然后用高温烧结的方式成功地合成了氧化钛和钛酸钠的复合型微/纳块体材料。研究发现，由于Na+的挥发而产生大量的点缺陷，这些点缺陷对短波声子的散射加上钛酸钠纳米颗粒边界对长波声子的散射有效地降低了复合纳米块体材料的热导率，同时，在氧化钛中以及Na2Ti6O13的TiO6八面体层中形成氧空位，从而保证了复合纳米块体材料的电导率，功率因子并未有明显变化。通过使TiO6八面体层中形成氧空位而使电导率增加，通过Na+挥发形成Na+点缺陷而散射声子降低热导率的行为可以称为Na2Ti6O13这种层状化合物的声子玻璃电子晶体(PGEC)行为。　　 提出了一种新颖的制备铌掺杂或铌和氮双掺杂锐钛矿型氧化钛纳米颗粒的方法—尿素燃烧法。再结合机械球磨和高温烧结法成功制备了化学组成和界面浓度得到调控的氧化钛基块体材料，并研究了其热电性能。研究发现，不仅功率因子提高了约7倍达到785℃时的9.87×10-4Wm-1K-2，而且热导率也有了大幅降低，700℃时最低为2.6Wm-1K-1，因此，其ZT提高了约10倍，700℃时达到了0.35左右，这是日前氧化钛基热电材料中所报道的最高值，也是n型金属氧化物中最高值之一，表明化学调控后的氧化钛基块体材料是一类很有应用前景的热电材料。更重要的现象是，在强还原区，氧化钛基块体材料的电导率随还原程度的增加而增加，而其Seebeck系数却几乎不再减小。　　 通过基于密度泛函理论(DFT)的计算表明由于氧空位形成后对其周围结构产生的较大形变所引起的对少数载流子输运的抑制是出现电导率增加而Seebeck系数不减小现象的重要原因，此种载流子传输模型可以称为“载流子非对称传输模型”，可以为其它纳米复合材料和化学调控型材料的设计提供重要的理论指导。