纳米TiO₂是一种重要的无机功能材料,被广泛应用于环境治理、太阳能光伏电池、气敏传感器、光解水制氢气和氧气等方面。为了拓展TiO₂纳米材料的应用领域或提高其应用性能,近年来通过构建特殊结构和形貌的TiO₂纳米材料的研究与日俱增。另外,TiO₂纳米材料在实际应用过程中通常要固载在电极上,以便于回收利用。基于这一思路,本文以钛箔为钛源,采用水热法在钛箔表面制备了具有特殊结构的TiO₂纳米材料,包括F-TiO₂微球、三维网络结构TiO₂线薄膜、TiO₂纳米线/棒阵列,并制成电极进行应用研究。此外,还以钛粉作为钛源,水热制备了TiO₂纳米棒/带微球和超长TiO₂纳米线。利用FESEM、XRD、TEM、UV-vis、Raman等手段对制备产物的形貌和结构进行表征,系统地研究了水热参数等对产物结构和形貌的影响,总结了纳米TiO₂晶体生长规律。具体内容包括:首先,在无机酸性溶液中利用水热法在钛箔表面制备了具有多级结构含F的TiO₂（F-TiO₂）微球。研究表明,只有在没有氧化层的钛箔表面才能制备出F-TiO₂微球,溶剂粘度增加会降低晶体生长速率,F-TiO₂微球的形貌受溶液浓度以及溶液中酸根离子的影响。在5 mM,摩尔比为1:1的NH4F和HCl的溶液中制备出多级结构的F-TiO₂微球,微球由被削去一端的多孔八面体晶组成,晶型是锐钛矿型和金红石型的混晶相。XPS结果证实F-离子是以物理吸附的方式存在于TiO₂微球表面。通过UV-vis吸收光谱研究了F-TiO₂微球的光学性能。F-TiO₂微球表面的氟化,微孔和介孔结构,高入射光利用率使F-TiO₂微球在光解水反应中表现出高光电化学活性。光电化学检测结果显示F-TiO₂微球薄膜的光电流密度是P25颗粒薄膜的2倍多。其次,在NaOH溶液中利用水热法在钛箔表面制备了三维网络结构的TiO₂纳米线薄膜（W-film）。W-film是由大量非定向生长的锐钛矿型纳米线组成,直径为10-30 nm,长度大于5μm。光学性能研究结果表明,在350-700 nm波长范围内W-film的吸光度均大于TiO₂纳米粒子（P25）薄膜（P-film）的吸收度,吸收带边发生红移。同时吸光度随水热时间增加而增加。W-film的瞬态光电流密度约为P-film的2.05倍。W-film对甲基橙的光催化降解速率是P-film光催化降解速率的2.3倍。研究表明,水热过程中钛溶解、钛酸盐的扩散、钛酸盐结晶生长之间的动态平衡决定了产物的结构和形貌。根据这个规律,我们将钛箔放入1 M的NaOH溶液中,200℃下水热处理48 h后得到垂直于钛基底生长的TiO₂纳米线阵列薄膜。再次,在四甲基氢氧化铵（TMAOH）溶液中利用水热法在钛箔表面制备了垂直于基底生长的单晶锐钛矿TiO₂纳米棒阵列,具有四棱柱、双尖锥结构。研究表明,产物形貌、尺寸、以及生长取向受水热温度和溶液浓度控制。此外,TiO₂纳米棒的形貌和结构是由于四甲基铵通过氢键吸附在平行于锐钛矿TiO₂的（001）晶面造成的。TiO₂纳米棒阵列具有优异光电化学性能的原因在于:单晶TiO₂纳米棒中晶界较少,一维结构能为电子提供直线传输路径。最后,在NaOH溶液中水热处理钛粉制备出TiO₂纳米棒/带微球,和超长TiO₂纳米线。研究显示,水热温度和溶液浓度共同决定了晶体生长方向,水热时间决定了钛的剩余量及产物尺寸。当温度和浓度在一定范围内,即水热过程中钛和NaOH反应的速率（Vr）,产物钛酸钠的扩散速率（Vd）及结晶速率（Vc）达到一定程度的平衡（ Vr Vd Vc ）,晶体就会沿着钛颗粒的径向生长,反应48 h后生成TiO₂纳米棒/带微球。否则,水热产物则是超长纳米线,或者是在钛颗粒表面集聚生长的较小尺寸的TiO₂纳米带微球。热处理后（450℃,1 h）的产物均为锐钛矿型TiO₂。光催化降解性能的结果显示样品的光催化活性高低依次为:TiO₂纳米棒微球>超长TiO₂纳米线> TiO₂纳米带微球> P25。这种纳米结构的TiO₂粉体便于回收利用。