多级结构材料是材料化学领域的重要分支之一,主要致力于开发新型材料、提高材料性能以及拓展功能应用等方面。自然界中,从微观尺度到宏观尺度的结构多级性在众多生物材料中非常普遍。其复杂的界面作用、表面形貌、多级结构以及理化性质的耦合作用,使得这些多级结构材料具有非常优异的多功能性。近年来,随着人们对高性能材料需求的不断增长,科研工作者开发了许多仿生或受生物启发方法来制备多级结构材料,以满足功能集成。深层次认识材料多级性的概念、演化过程、形成原理以及调控机制等方面,是实现功能导向精准设计多级结构材料的基础。本论文主要围绕一维半导体材料的多级结构调控与功能特性进行研究。基于金属醇盐的水解-缩聚化学以及相分离现象,我们成功获得了具有可调连通多级孔特性的TiO₂-SiO₂复合纤维材料;通过将静电纺丝技术与水热后处理技术相结合,我们制备了具有内部结构和表面多级性可控的一维TiO₂多级结构材料。经过对多级结构演变过程进行系统分析,我们对纤维多级性调控机制进行相应阐述。所得到的一维多级结构TiO₂材料在光催化降解污染物、光催化裂解水、染料敏化电池等环境和能源领域具有良好的应用前景。本论文研究内容包括以下几个方面:一、首次提出通过调节金属醇盐的水解-缩聚化学,利用静电纺丝技术成功获得了具有可调连通多级孔的TiO₂-SiO₂复合纤维材料。该方法无需牺牲模板剂和控制后处理过程即可在电纺纤维中产生大孔。通过控制钛源（钛酸四丁酯）和硅源（正硅酸乙酯）的比例、电纺溶液的酸性以及电纺环境的湿度等条件,调控金属醇盐的水解-缩聚化学,实现TiO₂-SiO₂复合纤维的孔隙由介孔、介孔-大孔到微孔-介孔-大孔的可控调控。所得到TiO₂-SiO₂复合纤维具有高比表面积、优异的染料吸附能力、连通多级孔以及锐钛矿-金红石界面等优势,在降解污染物Rh B时,表现出优于商业P25的催化能力。该工作首次介绍了利用金属醇盐的水解-缩聚化学对电纺无机复合纤维内部多级孔的调控,为多级孔纤维的设计提供借鉴。二、提出基于相分离过程,获得介孔-大孔TiO₂-SiO₂复合纤维的方法。通过对该TiO₂-SiO₂复合体系进行结构和体相固化过程系统地表征,我们发现溶剂DMF的缓慢挥发以及金属醇盐的水解-缩聚促成了体系的固-液相分离现象,液相挥发后在纤维内部留下孔隙。所得多级介孔-大孔TiO₂-SiO₂复合纤维材料具有优异的热稳定性,可耐高温达850°C。本工作完善了TiO₂-SiO₂复合纤维体系多级孔形成机理,也开拓了利用相分离直接调控无机多级孔纤维体系的先河。三、通过碱溶液水热刻蚀静电纺丝无定形TiO₂纤维及煅烧过程,成功获得表面多刺内部结构可调的一维多级结构TiO₂纤维材料。“钛酸盐途径”是常见的一种制备TiO₂材料的方法。本工作中,碱刻蚀作用以及Ostwald ripenning是形成一维多级结构钛酸盐的主要原因。通过控制煅烧过程,可以得到具有同样结构多级性的一维多级结构锐钛矿TiO₂纤维。将所制备的一维多级结构TiO₂用于染料敏化电池电极材料,电池的转化效率高出商业P25电极材料的1.3-1.5倍。考虑到静电纺丝技术的普适性等诸多优势,本章中提出的设计一维多级结构TiO₂材料的方法,有望推广到更多功能性多级结构无机材料的设计中。四、基于静电纺丝过程及化学诱导转化法,成功获得了一维中空或实心的多孔TiO₂纤维。通过调节静电纺丝的环境湿度以及电纺原料中PVP与TBT的比例,制备出具有不同孔隙结构的一维无定形TiO₂前驱体。然后,在水热条件下进行氟离子诱导转化过程,得到不同内部结构的晶态TiO₂。通过控制无定形前驱体的孔隙率和直径,或者控制诱导剂的种类,可以选择性地得到具有不同内部结构或者不同管壁厚度的一维多孔TiO₂。通过此方法得到的一维中空或实心的多孔TiO₂纤维表现出很好的热稳定性,残余的有机物以及痕量的钠离子可能是提高其相转变温度的主要因素。