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准一维半导体纳米材料由于其具有高的比表面积,大的长径比以及较少的颗粒晶界,使其具有比纳米颗粒更加优异的物理化学特性,在光催化、染料敏化太阳能电池以及锂离子电池等领域具有广泛的应用前景。TiO2是一种最为重要的宽禁带氧化物半导体材料。本论文从提高TiO2纳米材料的光催化和锂离子电池性能为目的,开展了准一维TiO2纳米材料的晶面、晶相结构与分层次结构等生长方面的研究,主要研究成果如下: 1、以铵交换的钛酸钾纳米线为前驱体,通过在水热过程中加入不同的形貌调控剂,制备出不同形状的TiO2纳米粒子,如暴露{101}晶面的八面体颗粒,暴露{101}和{001}的截角八面体颗粒以及暴露少量{100}晶面的纺锤体颗粒。其次,利用钛酸钠纳米管在水热的过程中能逐渐释放出具有稳定{100}晶面的氢氧根离子,在碱性条件下首次制备出暴露大量高活性{100}晶面的四方柱状TiO2纳米棒。此外,对上述暴露不同晶面的TiO2纳米材料的光催化性能进行了研究对比。 2、利用水热的方法,将酸交换的钛酸钾纳米线转化为TiO2。通过控制水热过程的酸浓度,制备出了金红,TiO2(B),锐钛,金红/板态,金红/板态/TiO2(B)和锐钛/TiO2(B)晶相的TiO2纳米结构。在复合晶相中,相的含量可以进行调节。光催化实验表明,相比于组成的晶相,复合晶相表现出较高的光催化活性。其中,锐钛含量为59％的锐钛/TiO2(B)复合晶相具有最高的光催化活性,达到了商业P25的1.43倍以及机械混合样的3.0倍。此外,实验还提出了电荷分离的机理来解释锐钛/TiO2(B)复合晶相具有较好的光催化性能。 3、采用钛酸纳米管经350℃空气中退火的方法制备出无定形与锐钛矿相共存的TiO2纳米管,并采用罗丹明B染料研究其光敏化催化降解性能。由于染料的激发态电子极易注入到TiO2的导带边上以及无定形层对染料较强的吸附能力,该纳米管表现出超高的光敏化催化降解性能,达到商业P25的9.6倍。此外,以钛酸纳米线为钛前驱模板,通过退火和溶解两步的方式,首次制备出多孔单晶锐钛矿相TiO2纳米线。由于该纳米线具有单晶、多孔和一维的特点,表现出较好的光催化活性。 4、调控准一维TiO2及其分级结构微球来提升锂离子电池性能。首先,采用氢交换的钛酸钾为前驱体,在水热条件下,首次制备出超细高比表面积的TiO2(B)纳米线,BET高达210 m2/g,且该纳米线具有较短的b-和c-轴。锂离子电池测试表明,该TiO2(B)纳米线在快速充放电速率下,仍具有较高的容量,其性能优于目前所有报道的钛氧体系材料。其次,在水热条件下,大量制备出由纳米管组成的海胆状钛酸分级结构微球,该合成方法简单,易于大规模生成。海胆状钛酸分级结构微球具有较大的比表面积,为187 m2/g。锂离子电池测试表明,相比于钛酸纳米管,该钛酸分级结构微球结构具有较高的容量,有利于电池的快速充放电性能。经退火处理,钛酸分级结构微球可以转为形貌不变的锐钛矿相的TiO2分级结构微球,并对锐钛矿相的TiO2分级结构微球的电化学性能进行了测试。此外,采用刺猬状钛酸钠为前驱体,制备出高活性{100}暴露面的四方柱状锐钛矿相的TiO2纳米棒构成的分级结构微球。