环境和能源是21世纪人类面临和亟待解决的重大问题，半导体TiO₂具有化学性质稳定、对生物无毒性、有很强的氧化性和还原性以及可直接利用太阳能作为光源来驱动反应等独特性能，而成为一种理想的环境污染治理和洁净能源的光催化剂。金红石相TiO₂激发波长范围比较广，在可见光下可产生电子空穴对，具有很好的可见光的光催化应用前景。然而金红石相TiO₂表面电子与空穴对易复合，导致其光催化性能远远低于锐钛矿TiO₂。为了解决这一科学问题，我们设计将金红石相TiO₂应用于光电催化体系中，通过外加偏压的作用有效提高电子-空穴对的分离，使其催化活性得到明显的改善；以钛片为基底，制备金红石相TiO₂/Ti异质结薄膜，形成TiO₂半导体能带向上弯曲，有利于电子和空穴的扩散；同时我们通过将薄膜与ZnO纳米线复合，提高电子的迁移率，增大比表面积，抑制电子空穴对的复合，进一步提高薄膜的光电催化效率。主要研究内容如下：1.以金属Ti片为基底，采用热氧化法制备了金红石相TiO₂/Ti异质结薄膜。在施加负偏压的光电催化体系中金红石相TiO₂薄膜在可见光下表现出良好的催化活性。通过实验发现薄膜在负偏压的体系中对染料的降解效率远远大于正偏压的体系。我们提出半导体能带弯曲的机理阐释了这一现象，并通过双槽实验验证了所提出的解释机理。2.采用化学气相沉积法首次以金属Ti片为基底，在金红石相TiO₂薄膜上生长了长径比高达130的超长ZnO纳米线阵列。金属Ti片作为电极基底材料导电性良好，金红石相TiO₂薄膜与超长ZnO纳米线阵列复合材料是紫外及可见光响应型光催化剂。与金红石相TiO₂薄膜相比，该复合材料的比表面积得到了大大提高，同时单晶超长ZnO纳米线有利于光生电子的传输，提高电子-空穴对的分离效率。实验证明这种复合材料在光电催化体系中降解有机污染物效果优良，而且具有很好的稳定性。3.采用化学气相沉积法首次在金属Ti片上制备了金红石相TiO₂薄膜与ZnO纳米梳复合结构。通过研究发现Au膜的厚度决定了ZnO树枝状侧枝结构的排列和纳米线的直径。以20nm厚的Au膜作催化剂制备得到的ZnO纳米梳为均匀排列的单晶。