光催化技术具有反应条件温和、无污染、低能耗等特点，因而在环境保护、能源转换、新物质合成等多个方面具有广阔的应用前景。通过多种改性手段改善催化剂的活性，提高催化剂的光催化效率是将这一技术推向实际应用的重要环节。本文利用XRD、TG-DTA、SEM、TEM、XPS等多种测试手段，从氧化和还原两个角度对改性纳米二氧化钛催化剂的催化活性和表面性能进行了系统的研究，探讨了改性机制，分析了催化剂氧化还原性能的关系。通过在TiCl4水解过程中施加超声辐照，室温下合成出具有单一锐钛矿型纳米二氧化钛。粒径小于20nm的TiO2在光催化氧化-还原反应中均表现出量子尺寸效应。利用浸渍法制备了第四周期Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu六种过渡金属离子掺杂改性纳米二氧化钛光催化剂，利用XPS等手段进行了分析。分析表明，变价离子的存在有利于捕获光生电子和随后的界面上电子传递过程，因而光催化氧化还原性能都优于单一价态的离子掺杂。光催化活性与表征掺杂离子捕获电子能力的量Ea/r（电子亲和势和离子半径的比值）间呈现火山型关系曲线，即捕获电子能力适中的铜掺杂催化剂具有最高的活性。在光催化氧化反应中，表面吸附氧活泼性影响光生电子的捕获效率，因而影响光催化氧化性能。利用XPS、XRD、SEM、TEM等手段对不同方法掺铜所得催化剂进行了分析。结果表明，掺铜方法不同，铜元素在催化剂中的分布及存在状态不同。铜物种在表面的分散、较高比例的吸附氧及Cu+/Cu2+的存在有利于改善催化剂的活性。比起水解沉淀法、机械混合法，浸渍法更容易实现上述因素的优化，因而该方法制备的催化剂具有最好的活性。复合半导体基础上进一步掺铜得到铜锡改性的纳米二氧化钛。复合半导体耦合效应使电子-空穴得到有效分离，铜掺杂强化界面电子传递过程，因而使催化剂性能得到显著改善，与纳米二氧化钛或单一改性催化剂相比，光催化降解甲醛完全矿化时间缩短了60-66%,而在光催化还原CO2反应中还原产物总量提高了33-72%。为了进一步加深对铜离子掺杂改性机制的认识，利用光化学还原法，在复合半导体基础上沉积贵金属钯制备了钯锡改性纳米TiO2光催化剂。通过与铜锡改性纳米TiO2的光催化还原性能进行比较,发现前者具有更高的生成甲醇选择性。分析表明，造成上述差异主要是由于两种改性手段对光生电子传递过程的影响不同，从而对催化剂性能改善程度不同。