当今社会,基于化石类燃料的传统能源体系面临着高排放和非可再生性等一系列问题,并导致全球面临严峻的环境污染以及能源危机。为实现人类社会可持续发展,以可再生能源替代化石能源的观念在世界范围内得到广泛认可。然而,可再生能源所存在的时空分布不均匀的固有缺陷,却极大限制了其进一步发展。解决上述矛盾的有效策略之一,是通过某种高能量密度的能量存储介质,对可再生能源加以预先富集和存储。其中,光催化和光电催化分解水制氢反应,是将源源不断的太阳能转化为具有高热值、高能量密度、绿色无污染氢能的最具潜力的途径。也是公认的能够同时解决能源与环境问题极具吸引力的方案。对实现当今社会人与环境协调发展,可持续发展有着重要的现实意义。TiO2光阳极材料是目前研究最为广泛、深入的材料之一。尽管其有着廉价、稳定、环境友好等优点,但是由于自身物理性质的局限性,TiO2材料带隙较宽,约为3.0 e V～3.2 e V,仅能对占太阳光谱总能量4%的紫外光谱区间有响应。提高半导体对太阳能转换效率的两大策略,一是增加半导体对不同波长光谱的吸收能力;其二则是通过施加外加偏压,促使光生电子与空穴高效分离。常见的提升TiO2纳米材料光催化能力的方法包括:调控半导体材料几何参数以增大其活性面积、通过掺杂改性等手段缩窄TiO2带隙、通过形成异质结或者外加偏压的施加以减少光生载流子的复合率、优化TiO2材料载流子浓度以提高其光生电子/空穴传输效率等等。近年来,将稀土元素掺杂进入TiO2晶格以形成新的杂质能级的策略,被证明了可以明显缩小TiO2带隙,是一种可以有效提高可见光驱动光催化/光电催化分解水制氢效率的方法。此外,通过有序TiO2纳米阵列基底的构建,不仅可以增大半导体材料有效吸光面积,还可以通过加快光生电子/空穴的分离,以实现提升光转换效率以及拓宽光吸收范围的目标。本毕业论文以锐钛矿型纳米TiO2为研究基础,通过不同手段获取改性以后的TiO2光/电催化剂,并深入研究了其在光催化分解水制氢、光电催化分解水制氢反应中的机理。其中主要的研究工作包含如下两部分成果:1.采用溶胶凝胶同步掺杂法,成功地合成出了经过稀土Ce元素掺杂改性后的TiO2材料（TiO2@Ce）,通过XRD,EDS mapping,XPS,HRTEM等表征方法,证明了该方法能够有效地将Ce元素高度均匀地分散并嵌入TiO2晶格当中,使得晶格畸变,形成电子捕获中心。在光电协同催化过程中,光生电子与空穴的分离效率得到极大提升,同时大幅提升光催化产氢能力,以及明显改善对可见光的吸收效果。其中Ce元素同步掺杂改性（TiO2@Ce）后测得光电流密度峰值为12.5mA/cm~2,是相同偏压下未改性TiO2光电流密度的2.5倍（5mA/cm~2）。2.采用二次电化学阳极氧化法刻蚀法,在金属钛片基底表面,成功制备了具有不同几何尺寸的有序TiO2纳米管阵列。对其光/电催化分解有机小分子产氢的研究中,发现较长的有序纳米管阵列表现出比短管/无序纳米管阵列更高的光电流密度峰值。并且随着外加偏压的施加,我们发现有序TiO2纳米管阵列的光吸收阈值随着管长几何参数的改变发生较大变化,其截止波长可由TiO2粉体材料的390 nm左右红移至530 nm。