TiO₂半导体由于其优秀的结构和性质,是当前众多新材料中最具有开发前景的材料之一,被广泛的应用于光催化以及新能源等领域。作为光催化剂材料,TiO₂由于其自身较低的量子效率而受到了严重的限制。介晶是一种独特的有序纳米粒子组装超结构,显示出高结晶度、高孔隙度和类单晶特征,能够有效的改善TiO₂半导体性质,因此TiO₂介晶的相关研究具有重要意义。近年来TiO₂介晶吸引着越来越多人的研究兴趣,但简单有效的合成TiO₂介晶以及其生长机理研究仍面临着许多挑战。本文中通过简单的水热体系,首次制备得到了一种结构新颖的哑铃状锐钛矿TiO₂介晶,并对其改性研究,将其应用于高效的光催化剂材料。主要研究内容如下:1)以冰乙酸为溶剂,TiCl₃作为Ti源,通过一步简单的溶剂热反应,无添加合成出了一种新颖的哑铃状锐钛矿TiO₂介晶纳米材料。通过一系列的分析表征,深入研究了材料的结构和性质,并探索了哑铃状介晶的生长机理。另外通过简单的真空热处理,在哑铃状TiO₂介晶中有效地引入了大量的氧空位,将其应用于光催化剂材料,研究其光催化还原水体重金属污染物（六价铬）和光催化降解水体有机污染物（甲基橙）的性能。实验结果表明,相对于传统的TiO₂纳米晶颗粒,介晶结构显示出了更优越的性能,并且还深入研究了该TiO₂介晶的光催化反应机理。2)对哑铃状TiO₂介晶纳米材料进一步拓展研究,采用简单的水热反应过程将石墨烯纳米片与哑铃状TiO₂介晶复合在一起,构建异质结构。对复合材料进行一系列表征测试,研究分析复合材料的结构和性质,并且证明了石墨烯与TiO₂之间是通过化学键作用相互紧密的结合在一起。复合结构能有效的提升半导体光催化剂材料的载流子分离效率,抑制光生电子和空穴的复合,增强材料的电子转移性能,及大地改善了TiO₂半导体的量子效率。这种石墨烯复合TiO₂介晶纳米材料极大地提高了催化剂性能,在100 mW/cm²的模拟太阳光（AM 1.5G滤光片）下显示出高效的光催化降解MO有机物和光催化还原Cr（VI）重金属性能,并且还深入研究了该复合材料的光催化反应机理。