将光促表面催化反应技术应用于CO₂与H₂O合成CH₃OH这一热表面催化难以实现的反应体系，不仅可利用自然界中廉价而丰富的碳资源，减轻二氧化碳对环境所造成的负面影响，而且产物甲醇又是非常重要的化工基础原料，由其可以合成诸如汽油等非常重要的有机物，所以具有重要意义。本文使用稀土金属和过渡金属通过溶胶-凝胶法和等体积浸渍法对纳米二氧化钛进行改性，考察了不同的掺杂方法、掺杂离子的种类、掺杂离子量、热处理温度等因素对二氧化钛的晶型结构以及光催化活性的影响。并将各催化剂用于目的反应对改性效果进行评价，比较后将工作重点放在改性效果显著的稀土金属钕和过渡金属铜、铁的改性研究，尝试利用过渡金属和稀土金属对二氧化钛进行共掺杂改性。采用X-射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、红外光谱（IR）、拉曼光谱（FT-Raman）、光电化学性能等测试手段对各改性纳米TiO₂进行物性表征，对比研究了离子单掺杂和过渡金属-稀土金属离子共掺杂催化剂的材料结构、吸光性能、化学吸附性能等的差异，探讨了各掺杂离子在催化剂中的作用机理。并探索了目的反应体系中温度、二氧化碳压强、光照时间及催化剂用量等各因素对目的产物甲醇产量的影响。实验结果显示用溶胶凝胶法制备的催化剂平均粒径小，分布均匀，且与等体积浸渍法制备的催化剂比较，对目的反应的催化效果更好。钕的掺杂抑制了高温煅烧过程中氧化钛从锐钛矿相向金红石相的转化，同时有效抑制了TiO₂的粒径增长，另外，光响应范围向可见光方向红移，扩展了TiO₂利用太阳光波长的范围，提升了对可见光的敏感度。铜或铁与钕元素的共掺杂可能存在协同效应，过渡金属元素的加入进一步提升了TiO₂的催化活性，其中在同等反应条件下1％Cu²⁺-0.2％Nd³⁺-TiO₂催化下的甲醇产量是0.2％Nd³⁺-TiO₂催化下甲醇产量的2.3倍，1％Cu²⁺-TiO₂催化下产量的7.8倍。对于催化剂中金属最佳掺杂量的确定，本文采用了最小二次乘法来解决，发现用它来处理掺杂量与其催化活性的关系，是非常有实用价值的。