由于化学稳定性高、耐光腐蚀性和环境友好等特点,TiO2纳米材料近年来成为光催化污水处理领域的研究焦点。但是,宽的禁带宽度和高的载流子复合率使得TiO2材料直接作为高性能可见光催化剂的可能性变得微乎其微。窄化带隙并抑制载流子的复合是提高TiO2材料可见光催化性能的必经之路。本文通过测试掺杂改性和异质结结构改性后TiO2基光催化剂的催化性能发现这两种改性方法都有其各自的缺陷。为了获得高性能的TiO2基光催化剂,我们用与碳材料形成复合结构的方法对其进行了改性研究。结果表明,合理的TiO2/C复合结构不仅可以有效地提高TiO2材料的光催化效率,而且可以实现催化剂的回收利用,是TiO2基光催化剂迈向实际应用的关键。在进一步提高催化剂中电子空穴分离效率的研究中,我们猜想并完善了一种新型光催化器件——光驱动燃料电池的设计。光驱动燃料电池集有机物光降解处理和发电为一体,是污水处理手段和产能手段的理想结合。但是其对电极材料的要求比较严格,因此仍需要大量的实验来加以研究。为了窄化带隙并提高载流子的分离效率,我们分别用掺杂、表面修饰及与碳材料复合等方式对TiO2光催化剂进行了改性研究,并对其器件化发展做出了分析。主要研究内容如下：(1)我们用水热法制备了Fe掺杂的TiO2纳米颗粒,并测试了其光催化降解亚甲基蓝的性能。实验结果表明,掺杂确实可以实现TiO2材料对可见光的吸收利用。但是掺杂的Fe离子同时也扮演着载流子复合中心的角色,对TiO2的催化性能反而有抑制作用。将纯TiO2纳米材料在氢等离子体处理后,可以得到黑色的纳米TiO2。黑色TiO2属于自掺杂的TiO2材料,可以吸收利用大部分的可见光,甚至部分的近红外光。而其优良的可见光催化降解有机物的性能主要是由能够吸收利用可见光、大量的表面氧空位及Ti-H键作为电子的捕获剂导致载流子的有效分离等特性所共同决定的；(2)为了避免掺杂引起载流子复合率升高现象的出现,我们用一些常见的窄禁带过渡金属氧化物对TiO2纳米颗粒进行表面修饰,制备出了TiO2基异质结光催化剂,藉此实现其对可见光的吸收利用并提高载流子的分离效果。实验发现,Type Ⅰ型异质结光催化剂虽然也可以实现对可见光的吸收利用,但是其并不能实现光生电子空穴的有效分离,进而导致较差的光催化降解效果。而TypeⅡ型异质结光催化剂合理的能带结构使得其电子空穴的分离效率有所提高,但是其光催化降解有机物的性能却并不理想。这说明电子空穴的有效分离并不是增强光催化剂催化效果的唯一决定因素,催化剂上空穴的最终能量位置则是更关键的因素；(3)我们研究了包覆的非晶碳含量对TiO2/C复合结构光催化性能的影响。测试表征发现,在煅烧处理过程中,适量的碳包覆有利于调控TiO2颗粒表面的氧空位含量。包覆的碳在测试中可以促进电子空穴的分离,使得复合结构拥有较高的光催化性能。随后我们通过分别选择微米级的还原氧化石墨烯球(rGO)、石墨粉和碳纤维为碳基体,制备得到了能够从溶液中自沉降分离的TiO2/C复合结构。通过对其各自的光催化降解性能进行测试发现,TiO2/rGO复合结构对有机染料有着极强的吸附能力,然而其光催化降解有机物的性能却不是很稳定,不利于其在实际中的应用。而TiO2/石墨粉复合结构的光催化性能比原始TiO2纳米颗粒的催化性能较好,而且其循环测试性能也比较稳定。但是TiO2颗粒是靠着简单的物理吸附作用附着在石墨粉上的,其结构稳定性不是很高。最后我们依靠自模板的方式制备得到了TiO2/多孔碳纤维的复合结构。TiO2与碳纤维之间的化学接触及多孔碳的吸附性能使得复合结构拥有极好的光催化降解有机物性能,这为后续高性能TiO2基光催化剂的制备提供了新的思路；(4)通过细致分析增强电子空穴对分离效果的整个发展历程,并结合已有电化学电池的结构,我们设计出了一种新型的电化学电池——光驱动燃料电池。光驱动燃料电池用光催化氧化有机物的反应代替传统燃料电池的负极反应,实现了光催化反应中电子空穴对的最佳分离效果,完成了光催化降解有机物器件化的雏形设计,为光催化在实际生产生活中的应用开辟了新的道路。由于整个反应对光阳极结构和性能的要求较高,因而TiO2光阳极的制备需要进行大量的实验摸索。