利用太阳能有望解决人类目前面临的能源危机和气候变化问题。光催化CO2还原技术可利用丰富、清洁的太阳能将温室气体CO2转化为甲烷、甲醇、甲醛、甲酸、尿素、低碳烃类及聚合物等高附加值的燃料和化工产品。因此,开发高效、廉价的太阳能光催化CO2还原体系是解决能源危机和环境问题的核心内容之一,对于人类社会的可持续发展具有重要意义。本研究论文基于上述研究背景,选择结构特性与光电性能优异的TiO2纳米管材料,采用自掺杂、金属负载及电辅助策略对其进行改性,克服其全光谱响应性差、载流子分离效率低和表面反应活性差的缺点,以增强其光催化性能,最终用于太阳能驱动的光催化CO2还原。本研究论文的主要研究内容和结论概括如下:（1）通过电化学自掺杂方法将Ti3+和氧空位缺陷引入TiO2纳米管,随后将Pt、Au二元单原子组分通过强金属-载体相互作用分散在自掺杂TiO2纳米管（R-TNTs）上。研究结果表明,Pt-O和Au-Ti共价键促进了光生电子从缺陷位点到金属单原子位点的有效转移,显著增强了光生电子-空穴对的分离和电荷载流子的传输。在光催化过程中,CO2分子经极化和质子化形成·CH3,然后进一步被转化为CH4和偶联产物C2H6,CH4和C2H6的产率分别高达360.0和28.8 mol g-1h-1,它们在365 nm处对应的表观量子产率（AQY）分别为15.2%和2.7%。此外,在负载金属后,光催化氧化H2O的路径从生成·OH转变为生成O2,从而抑制了光催化剂的自氧化。（2）通过自掺杂处理引入Ti3+物种诱导TiO2纳米管形成中间能级,其使TiO2纳米管能够吸收近红外光,实现光生电子从价带跃迁至导带。Ti3+物种浓度的增加不仅可显著改善近红外光吸收,还可大幅促进对CO2的化学吸附。经Pt、Au双金属负载后,所制备的Pt-Au/H-TNTs在近红外光照射下表现出优异的CO2还原性能,产物CH4和CO最高产率分别达到了30.1和25.8μmol g-1h-1。并且,其AQY高达0.492%（740 nm）、0.435%（850 nm）和0.186%（940 nm）。（3）TiO2纳米管自掺杂处理后极大地改变了其电子结构,导致载流子浓度提升了5个数量级,电导率提升了6个数量级,载流子迁移率提高了约14倍,这有利于光生载流子从催化剂体相转移至界面参与反应。基于此,本研究提出了一种无需任何电解质和对电极的新型电辅助光催化技术应用于气相光催化CO2还原。在微小外电压的驱动下,自掺杂TiO2纳米管薄膜催化剂中的光生电子和空穴向相反方向迁移,使光生载流子在空间上有效地分离,从而提高了光催化反应的整体效率。在电辅助作用下,光催化的氧化和还原反应均发生在Pt-Au/R-TNTs薄膜上,催化CO2还原为CH4、C2H6、C3H8的最大产率分别达到1172.1、76.4、49.5μmol g-1h-1,催化H2O氧化为O2的最大产率为3420.8μmol g-1h-1。与光催化体系相比,电辅助光催化体系的性能提高了3.5倍。（4）针对自掺杂TiO2纳米管可见光谱响应性差的缺点,通过负载Cu、Au纳米颗粒形成表面等离子共振效应增强可见光谱响应,制备了Cu/Au/R-TNTs光催化剂,实现了全光谱响应催化CO2氢化。基于新型电辅助光催化技术,设计并优化太阳能驱动的电辅助光催化CO2氢化流动式反应器。反应器在最优条件下运行时,CO2转化率可维持在25.0%左右。此外,将反应器与太阳能驱动系统集成,组装的集成系统在夏季和冬季均可正常运行,其CO2的平均转化率最高可达21.7%。基于研究结果,提出了电辅助光催化甲烷化工艺用于焦炉气合成天然气。通过生命周期评价分析,对比了其与热催化甲烷化工艺的环境影响,结果表明电辅助光催化甲烷化工艺碳减排效益更高、环境负荷更小,具有明显的环境效益。