光催化技术已成为能源和环境领域的研究热潮。高效光催化剂的制备成为提高光催化效率的瓶颈问题。光催化剂在光激发下产生的光生电子和空穴是进行光催化反应的活性物种。通常,光催化剂的电子具有电荷和自旋的两个固有特性,其中电子的电荷属性已经得到了深入地研究,但是电子的自旋属性却很少受到关注。除了能量守恒之外,电子在跃迁过程中也遵循角动量守恒。因此,电子的自旋态会对光催化过程产生显著影响。本文通过对典型光催化剂二氧化钛进行自旋态调控,深入探究电子的自旋属性对光催化过程的影响。首先,通过密度泛函理论计算的手段引入钛空位来设计自旋极化态,发现不同钛空位的二氧化钛具有不同自旋极化的电子结构。通过溶剂热制备层状有机甘油钛,然后焙烧得到了含有不同钛空位浓度的锐钛矿型二氧化钛,并对产生钛缺陷的机理进行了讨论。通过同步辐射等表征有力地验证了钛缺陷的存在,通过XPS和化学滴定的方法分别定量计算出催化剂表面和体相钛空位的浓度。最后证明了这一系列钛缺陷的二氧化钛具有不同的自旋态和自旋极化态。我们通过光催化降解和产氢测试不同自旋态二氧化钛催化剂的光催化活性。发现总空间自旋极化率为-100%且在真实空间分布最广的二氧化钛（钛空位浓度为6.4%）的光催化产氢活性是普通二氧化钛的20倍,同时光催化降解苯酚的活性是普通二氧化钛的8.6倍。最后通过磁场下的光催化实验进一步证实了自旋相关的效应,发现钛空位浓度为6.4%的二氧化钛在8000 Oe的磁场强度下降解罗丹明B的速率要比无磁场时增加54%。结合理论计算和实验结果,从光激发、电荷转移和表面反应这三个光催化的基本过程出发,给出了自旋态对光催化的影响机理。之后我们又构建了TiO₂/g-C₃N₄的p-n异质结,不仅将吸光范围扩展到了可见光范围,还进一步促进了光生电荷的分离。其中CNT-40可见光下的光催化产氢,光催化降解MO和苯酚的活性是同类样品中最好的,分别为g-C₃N₄的5.7倍,3.6倍和1.6倍。这些都为构建高效的光催化剂提供了新的思路。