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介孔TiO2具有孔道结构均一、光电化学性质优良、无毒、储量丰富、廉价易得等特点,在光催化、光热转换、光伏以及吸附分离等领域有着广泛的应用前景。作为一大热门材料,人们对介孔TiO2材料的可控合成、形貌与微观孔道结构以及表面性质的调控及其在众多领域的应用探索等方面进行了深入探讨。目前,单一结构与化学组成的TiO2材料应难以满足高性能应用的需求,形貌均一化、组成多元化以及微观结构复杂化是TiO2研究领域的一大趋势,其关键问题是如何提升材料的电荷转移或传输能力与传质效率,从而提高材料性能,而具有高比表面积、开放孔道以及组成和微观结构丰富可调的介孔TiO2基微球是一种潜在的解决方案。鉴于此,本论文以介孔TiO2基微球作为研究对象,主要按照以下三个思路选题进行研究:ⅰ)以合成为导向,设计简单有效的方法合成三维介孔TiO2微球基材料,通过优化合成条件有效调控微球尺寸、比表面积以及表面结构等性质,为实现其高效催化性能奠定基础;ⅱ)以结构调控为导向,研究简单有效的能带调控策略,通过半导体复合、金属负载以及缺陷工程等手段优化材料的光吸收范围、电荷分离效率以及活性位点的数量等;ⅲ)以应用为导向,探索介孔TiO2基微球在光催化、光热转换、吸附和分离等领域的应用前景,为介孔TiO2微球的应用提供一定的理论基础。论文的第二章,针对纯TiO2材料光生电荷分离效率低和催化活性位点少等问题,我们提出通过在TiO2中构建缺陷以改善这一劣势。我们选用无水乙醇作为溶剂,TBOT为钛源,三嵌段共聚物F127为模板,用浓HCl调控前驱体溶液的氢离子与氯离子浓度,通过简单的一步溶剂热法和高温煅烧过程合成了富缺陷的介孔TiO2微球。在溶剂热过程中,反应液中Ti与Cl配位形成Ti-Cl键,经过高温煅烧去除Cl后形成缺陷。合成的大尺寸TiO2微球具有丰富的介孔结构、粗糙的表面和丰富的缺陷。通过改变煅烧温度、前驱体溶液HCl浓度、溶剂热温度、溶剂热时间和表面活性剂的投加量等因素来调控微球的尺寸、比表面积、表面结构以及缺陷浓度,并将其应用于光催化固氮反应中。在氢离子浓度为5.5 mol/L,煅烧温度为500 ℃时合成的介孔 TiO2微球具有最佳的光催化固氮性能。在模拟太阳光照射下,其合成NH3速率为284μmolh-1g-1,在可见光下的量子效率为0.05%。制备这种具有丰富表界面结构和缺陷浓度可调的介孔TiO2微球催化剂,可为实现高性能光催化固氮提供一定的借鉴意义。论文第三章,基于贵金属Au可以有效拓宽介孔TiO2微球的光吸收范围和促进光生电荷分离的理论原则以及进一步提高富缺陷介孔TiO2微球光催化固氮性能的研究目标,提出了构建Au@TiO2复合结构的研究思路,以第一章合成的表面结构和缺陷浓度最佳的介孔 TiO2微球作为载体,采用湿法浸渍和高温氢气还原策略在其表面负载了不同量的Au纳米粒子。基于Au纳米粒子的等离子体共振效应和缺陷位的协同作用,使其在可见光区域具有优异的吸收。然后通过改变Au纳米粒子的负载量来调控微球中的缺陷浓度、光吸收强度以及活性位点的数量。最后深入分析了 Au表面产生的热电子在TiO2微球表面光固氮过程中发挥的作用。在模拟太阳光照射下,其合成NH3速率为1040μmolh-1g-1,在可见光下的量子效率为1.5%。论文第四章,在前面的基础上,针对溶剂热法合成介孔TiO2微球的相对复杂性、产量低以及光生电荷分离效率低等问题,我们提出通过构建包含多元组分的异质结构来改善这一劣势的思路,利用微流控喷雾干燥技术一步式快速制备了铁负载的均一介孔TiO2微球,在400℃下煅烧即可生成锐钛矿/金红石/α-Fe2O3三元异质结构（Meso-ARH）。铁的掺杂促进TiO2在较低温度下发生相转变,极快的溶剂蒸发过程引导介孔结构组装,并诱导大量氧缺陷生成。该三元异质结构颗粒可提高光的吸收、改善光生载流子的分离效率、并促进≡Fe（Ⅲ）/≡Fe（Ⅱ）的还原。因此,在低H2O2投加量和低功率紫外灯照射下,该三元异质结构表现出非常优异的异相光芬顿催化性能。在5 min内就可以将20 ppm的MB溶液完全降解,在30 min内可以完全矿化。论文第五章,我们沿着构建多元组分异质结构以提升太阳能利用率的思路,进一步采用快速喷雾干燥技术开发了一种具有丰富表面组成和表面结构的单分散Cu/C/TiO2/SiO2复合微球,并针对性地将其应用于光热水蒸发。该微球具有表面褶皱和内部中空等特点,可以长时间稳定的在水面上漂浮。微球表面富集的Cu纳米粒子、无定型C层以及壳层内均匀分布的富缺陷的TiO2纳米粒子可以有效拓宽微球的光吸收范围,提高其光热转换效率。无定型SiO2可以作为隔热层,促使热量局域化。复合微球的褶皱表面和微球间的空隙可以为水的加热提供大的比表面积。在1 Sun照射下,该复合材料的水蒸发速率为1.5 kgm-2h-1,光热转换效率为92%。论文的第六章对全文进行了总结,凝练了论文的主要结论与创新点,并对将来需开展的工作进行了 一定的展望。