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目前,全球面临着环境污染和能源危机两大难题。半导体光催化剂可以将太阳能转化为化学能,是治理环境污染和解决能源危机的有效途径之一。其中,以TiO2为代表的光催化剂,由于其具有优异的氧化能力和化学稳定性,而广泛用于光催化分解有机污染物、抗菌杀毒、光解水制氢和太阳能敏化电池等领域。但是,TiO2是宽禁带半导体（锐钛矿3.2 eV）,只能吸收紫外光,且量子效率较低,限制了TiO2在实际生活中的应用。大量的研究表明,贵金属纳米粒子修饰改性TiO2光催化剂,特别是具有表面等离子体效应的贵金属纳米粒子改性是提高其光催化性能的有效方式之一。通过具有表面等离子效应的贵金属纳米粒子改性,一方面由于引入金属的费米能级低于TiO2导带能级,促进光生电子的分离和转移,抑制载流子复合,一定程度上提高TiO2的光催化活性。另一方面由于贵金属纳米粒子的表面等离子体共振效应将TiO2的光响应拓展到可见光区,受激电子从贵金属纳米粒子注入TiO2导带,增强可见光区TiO2的光催化性能。本博士论文的研究工作主要通过调控TiO2光催化剂的晶型结构、金属组成、形貌等因素,拓展TiO2光响应范围,提高光生载流子的形成、分离和转移效率,抑制电子-空穴的复合,提高催化剂的光催化活性,同时深入研究和讨论了光生电荷行为与光催化活性之间的关系,为设计和制备高性能光催化剂提供了有力依据。具体工作内容主要包括:（1）第一章介绍了TiO2光催化剂的晶体结构、能带结构、光生电荷行为以及光催化机理,说明了TiO2光催化剂光生电荷行为和光催化性能的影响因素,包括结构设计、掺杂离子、金属纳米粒子以及表面异质结结构等,阐述了贵金属修饰的纳米TiO2光催化剂在光降解环境污染物、光解水制氢、光催化还原二氧化碳等方面的应用。（2）第二章我们研究了不同晶型结构的一维TiO2纳米线的制备与光生电荷行为。利用简单环保的方法制备了具有不同晶型结构的TiO2纳米线。XRD、TEM和SEM结果表明样品呈现长度约为十几微米,宽度约为60-80 nm的纳米线状形貌,随退火温度的升高,晶型结构从锐钛矿、锐钛矿/金红石混晶向金红石相转变。利用表面光电压技术（SPV）、瞬态表面光电压技术（TPV）和表面光电流技术（spc）研究了不同晶型结构的电荷转移性质,结果表明不同的tio2纳米线的表面态和电荷转移速率随晶型结构锐钛矿、锐钛矿/金红石、金红石转变而逐渐降低,更重要的是为后续光催化剂的设计与制备提供理论依据。（3）第三章我们研究了球形ag/tio2纳米复合物的光生电荷行为与光催化降解性能研究。我们采用低温溶剂热法一步制备了尺寸均一、分散性良好的ag/tio2纳米球状复合物。利用xrd、tem、stem、sem、edx技术表征了材料的形貌、结构和组成,结果表明复合物是由5-10nm的ag和tio2纳米粒子组成的尺寸约为500nm球状结构,ag纳米粒子均匀分散在复合物中。uv-vis、spv、tpv和spc研究了tio2和ag之间的电荷转移行为,结果发现在紫外光和可见光的激发下,光生电子转移机理不同:在紫外光照射下,电子从tio2导带转移并存储在ag纳米粒子,存储的电子可以参与到化学反应中;在可见光照射下,ag纳米粒子表面等离子体受激,电子从ag纳米粒子转移至tio2中,光生电子产生有效分离和转移,产生比tio2更强的光伏响应。无论是在tio2还是在ag纳米粒子表面产生光生载流子,电子以扩散或者转移的方式实现了电子-空穴的分离,有效提高光催化活性。并且,我们利用在暗室和可见光条件下降解乙醛的实验,进一步证明了上述机理,这为太阳能存储和利用提供了一个具有价值的策略。（4）第四章我们研究了三维花状分级结构au/tio2复合物的制备方法及光催化性能。利用简单、绿色的溶剂热法制备了三维花状分级结构的au/tio2复合物。tem、stem、sem、xrd、xps、uv-vis等技术表征了样品的结构、形貌、组成及光催化性能。结果显示三维分级结构的au/tio2复合物由一维纳米线随机组装而成的,复合物的粒径为2-3μm,au均匀的分布在复合物材料中。在可见光照射下（λ>420nm）,au/tio2复合物对甲基橙光催化降解表现出优异的催化活性和稳定性,远远超过纯tio2。原因有两个方面,其一是三维分层结构具有合适的光吸收深度、大的表面积和较多的表面活性点位,从而提高反应活性。其二,au的表面等离子体共振效应,诱导au/tio2复合物的光响应范围拓展到可见光区,受激电子从au转移到tio2的导带,促进了载流子的分离和转移,更多的电子被吸附在tio2表面的分子捕获,形成参与光催化降解反应的活性物质（,）,从而提高了tio2的可见光催化氧化能力。（5）第五章我们研究了三维球状分级结构的Pd/TiO2复合物的制备及光催化性能。采用溶剂热法制备了由一维纳米棒随机组装的三维球状分级结构的Pd/TiO2复合物。XPS和UV-vis结果表明由于Pd纳米粒子的引入,Pd与TiO2之间的相互作用较强,改变Ti4+附近的电子密度,使TiO2的带带吸收的带边发生明显红移。同时,由于Pd纳米粒子的表面等离子体共振效应促使Pd/TiO2复合物的吸收光谱范围扩展到600 nm可见光区,提高了光利用效率。在氙灯的照射下,Pd/TiO2复合物对罗丹明B的降解表现出较好的光催化活性,2.0 wt%Pd/TiO2复合物对罗丹明B的光降解效率是TiO2的10倍。主要因为:其一,在氙灯的照射下,TiO2的价电子跃迁至导带后,转移到Pd纳米粒子上。其二,表面等离子共振诱导的受激电子克服金属/半导体之间的肖特基势垒进入TiO2的导带。光生电子的两种分离转移机制的协同作用,促进光生电子-空穴的形成、分离和转移,抑制了载流子的复合,更多的电子和空穴扩散到样品表面参加催化反应,进而催化活性明显增强。