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一维单晶氧化物功能材料因其具有丰富的光、电、磁及催化性能,已成为当今材料科学研究领域的热点课题之一。作为一种典型的ABO3型钙钛矿氧化物功能材料,一维单晶PbTiO3纳米材料具有可调制的铁电、压电、负热膨胀和光催化特性,在能源、信息、环境等领域有着广阔的应用前景。然而,目前针对于PbTiO3材料的铁电极化表面微结构研究尚不深入,铁电表面的极化屏蔽机制仍不清楚。另一方面,TiO2是经典的高效光催化材料,具有较高的紫外光吸收效率、光生载流子浓度和迁移率,其一维单晶纳米结构阵列近年来被广泛地作为光电催化系统中的高效光阳极使用。尽管如此,目前基于一维单晶TiO2纳米结构的光阳极的光电催化效率仍受制于其宽带隙与低光生载流子分离、注入效率,同时异质结构对光阳极性能的影响机制也亟需深入探索。基于上述背景,通过材料的微结构设计、表面改性、形成异质结等手段,实现对一维单晶PbTiO3、TiO2纳米结构形貌、性能的调控,并探究其微结构与性能的联系具有重要的科学意义,有望推动其实际应用探索。本文首先综述了ABO3型钙钛矿氧化物、PbTiO3、TiO2的结构特点与研究现状,并总结了其包括铁电、热膨胀、光催化在内的多种性能与微结构的联系。然而,目前PbTiO3材料铁电极化表面的屏蔽机制仍需进一步探索,铁电极化屏蔽与微结构、性能之间联系的理解仍需加深;同时,基于TiO2的单晶异质结构光阳极中微结构、界面对性能影响的研究尚不够系统与深入。针对这些问题,本文首先提出利用结构相变过程前后材料的密度差构建介孔的设计思路,制备了介孔一维单晶铁电PbTiO3纤维,分别研究了封闭和开放介孔内的铁电极化屏蔽机制,并探究了极化屏蔽与其微结构、性能的关联;随后提出利用自模板法构建具有高质量、大面积界面的单晶核壳异质结的设计思路,制备了一维单晶核壳异质结构TiO2/SrTiO3（STO）纳米棒阵列,并分析讨论了界面效应、壳层厚度对光电催化性能的影响。取得的创新性成果如下:1.利用前钙钛矿相到四方钙钛矿相结构相变过程中的13%密度差,制备了一维单晶介孔PbTiO3纤维。微结构表征显示,这种四方钙钛矿单晶PbTiO3纤维具有规则的刻面和铁电单畴结构,直径约为100～400 nm。纤维内部均匀分布着大量尺寸为5～10 nm的截角四方体封闭介孔。每个介孔内部均存在着一对（001）表面的暴露,分别对应铁电正负极化表面,这些表面上的束缚电荷需要被屏蔽。球差电镜和电子能量损失谱（EELS）研究发现,介孔中正极化面附近区域存在着氧的聚集,而负极化面附近区域则存在着大量的氧空位。这种局部氧的变化实现了介孔内部正负铁电极化表面上的铁电极化屏蔽。2.原位XRD全谱拟合显示,一维单晶介孔PbTiO3纤维在293～623 K和15～300 K温度范围内的晶胞热膨胀系数分别为-2.00× 1 0-6 K-1和-3.85× 1 0-6 K-1,与无孔PbTiO3颗粒样品相比（-2.72×10-5 K-1,293～623 K）有着一个数量级的下降,呈现出典型的近零膨胀特性。原位TEM研究发现,介孔附近微区的PbTiO3在293K～573K的温度变化下呈现出正膨胀的特性,这可能与基于氧的铁电极化屏蔽造成的铁电性消失有关。因此,一维单晶介孔PbTiO3纤维的整体零膨胀特性源于介孔附近区域的正膨胀与其他区域PbTiO3本征负膨胀的叠加。3.利用硝酸腐蚀法除去一维单晶介孔PbTiO3纤维的表面无孔层,从而获得表面开孔的四方钙钛矿相一维单晶PbTiO3纤维,其直径为100～400 nm。纤维的表面存在着大量尺寸为5～10 nm的开放介孔。研究发现,硝酸腐蚀导致的表面介孔暴露使得室温下一维单晶PbTiO3纤维的c/a从～1.056提升至～1.064,A1（1TO）声子对应的Raman振动峰从150.33 cm-1位移至152.60 cm-1,这说明表面开孔的一维单晶PbTiO3纤维中存在着四方性和铁电性的提高。这一现象产生的可能原因是开放介孔中自发铁电极化屏蔽的改变。XPS和PL结果中氧化学位置的变化和缺陷发光的降低支持了这一机制。CO2光催化还原测试结果表明,介孔的暴露能够有效地提高PbTiO3纤维样品的CO2光催化还原性能,CO生成速率由闭孔PbTiO3纤维的0.48 μmol·g-1·h-1提高至 1.21 μmol·g-1·h-1。4.利用水热法在FTO基板上生长一维单晶金红石TiO2纳米棒阵列,并通过改变水热反应条件对其进行了尺寸调控。其中水热反应温度为150℃、时间为8 h条件下制备的TiO2纳米棒长度为1～1.5 μm,径向尺寸为100～200 nm,具有规则的刻面。随后,在维持原阵列形貌的基础上,采用二次水热法制备了一维单晶核壳异质结构TiO2/SrTiO3纳米棒阵列。微结构表征显示,TiO2和SrTiO3之间存在着大面积、高质量的异质结界面,其外延关系为TiO2（001）/SrTiO3（110）。进一步通过调整反应物浓度,实现了样品中SrTiO3壳层厚度从5～10 nm至20～40 nm的调控。5.光电催化测试表明,SrTiO3壳层厚度为5～10 nm的样品展示出最高的光电流密度,为0.76 mA/cm2（1.23 V vs.RHE）,是一维单晶TiO2纳米棒阵列样品的2倍。进一步研究显示,STO壳层厚度为5～10 nm的样品在1.23 V（vs.RHE）偏压下的光生载流子分离效率和表面载流子注入效率分别为～5 9%和～100%,明显高于金红石TiO2纳米棒阵列样品的～3 7%和～83%,而SrTiO3壳层更厚（20～40 nm）的样品则分别下降至～52%和～84%。这一结果说明SrTiO3壳层的复合能够使得TiO2光阳极的光生载流子分离效率和表面载流子注入效率提高,从而提升其光电催化性能。同时,这种性能的提升作用随SrTiO3壳层厚度的增加先上升后下降。