二氧化钛(TiO2)不仅在光电化学系统中可作为催化材料促使水分解成氢气和氧气，并且在染料敏化太阳能电池(DSSCs)和新型钙钛矿基太阳能电池中被用作重要的光阳极骨架材料，因而，在过去的数十年中，一直受到科研工作者广泛的关注和研究。在所有用作光催化和电子传输应用的材料中，TiO2毫无疑问是被最广泛使用的，这是因为其具有其他无机材料所不具有的特殊优势包括价廉易得、化学及生物性稳定、无毒、较强的光稳定性及在紫外光照射下优异的催化活性。然而， TiO2基光电极由于体相内过大的禁带宽度和较低的电子迁移率，还不能完全满足实际的应用需求。同时对光电转换的内部影响因素和机理的理解也相当有限。因此，通过设计，改性及可控合成TiO2基光阳极材料以提高电子的传输分离效率进而提高整体光电转化效率显得尤为重要。基于以上的研究背景，本论文围绕TiO2基电极材料的晶相、暴露晶面、几何与能带结构等几方面展开工作，考察了这些电极在光电转化和光电催化等实际应用中的性能表现，并探索了影响最终性能的关键因素，以改善这类电极在电子传输效率，光电化学活性等方面的表现。　　首次报道了，通过可控自组装过程制备了由暴露高比例{001}晶面的锐钛矿型TiO2纳米片所组成的三维多级结构材料。基于实验结果和分析，由HF作为封端剂的TiO2纳米片具有高比例的｛001｝晶面暴露且表面有F离子残留。此外，异丙醇溶剂体系与HF共同作用控制了锐钛矿型TiO2纳米片的生长过程及片与片之间的相互作用力，从促使了三维多级结构的形成。　　其次，使用SnF2作为前驱体，六次甲基四胺为形貌控制剂同样合成了具有二维片状结构的SnO2纳米片，该纳米片厚约4-6nm，可以聚集为三维花状多级结构。由于SnO2纳米片优异的导电子能力和多级结构对光散射的增强，由SnO2纳米片光阳极所组装的DSSCs器件表现出比SnO2纳米颗粒更优越的性能。随后，通过对SnO2纳米片表面进行TiO2薄层包覆处理，有效提高了SnO2纳米片光阳极的短路电流、开路电压及填充因子数。相比于SnO2纳米颗粒，TiO2薄层包覆处理对SnO2纳米片光阳极的性能提升更为明显，经TiO2薄层包覆处理的SnO2纳米片光阳极所组装的DSSCs器件光电转换效率提升达7倍，为2.82％，是同样处理方法的普通SnO2纳米颗粒电极的2倍多。　　在上两章的工作基础上，我们通过无模板、无毒害的一步溶剂热法制备了具有中空核壳结构的TiO2微球。该微球的壳层由{001}晶面比例高达90％的锐钛矿型TiO2纳米片无规密堆而成，内核为具有高比表面积的TiO2介孔微球。与普通暴露高比例{001}面的TiO2纳米片和商用的德固赛P25样品相比，锐钛矿型TiO2中空核壳结构微球的比表面高达245.1m2·g-1，并且其亚微米尺寸结构可以有效的增强可见光范围内的光散射。在标准AM1.5G的100mWcm-2光照条件下，由TiO2中空核壳结构微球光电极所组装的DSSCs器件光电转化效率达到6.01％，相比TiO2纳米片光阳极(4.01％)和P25光阳极(4.46％)，光电转换效率分别提高了49.9％和34.8％。通过紫外可见分光光度计和电化学阻抗谱的分析发现，总体光电转化效率的提高是由于TiO2中空核壳结构微球相比于TiO2纳米片和P25纳米颗粒具有更高的染料吸附量，注入电子在TiO2中空核壳结构微球光电极内有较长的传输寿命，且在整个可见光范围内具有优异的光散射能力。最后我们还考察了TiO2中空核壳结构微球的形成和生长机理。　　随后，我们使用简易无毒的一步水热法制备了光吸收可控的F掺杂金红石型TiO2单晶。通过控制起始前驱体的F∶Ti摩尔比，可以将催化剂的光学带宽在3.05到2.58 eV的范围内进行调控。经F掺杂优化的金红石型TiO2光阳极在紫外和可见光照射条件下的光电催化水氧化反应活性有明显的提高。当前驱体的F∶Ti摩尔比为0.1时，F掺杂金红石型TiO2光阳极在紫外光照射条件下的光电催化活性达到最优，是未掺杂样品的15陪。而当起始前驱体的F∶Ti摩尔比为0.05时，F掺杂金红石型TiO2光阳极在可见光照射条件下的光电催化活性达到最优。光电催化活性的明显提高归因于通过n型F掺杂可以有效的提高光阳极内的电导率和改变能带结构。不同测试技术如电化学测电阻法、电化学阻抗分析、莫特-肖特基曲线和XPS价带谱等都被用于表征和分析F掺杂金红石型TiO2光阳极的电导率、载流子密度和能带结构等信息。　　在上一章的基础上，通过SiO2纳米颗粒作为模板，制备了具有多级孔洞结构的单晶F掺杂金红石型TiO2单晶纳米棒，其中Fˉ离子同时既用作掺杂原子又有作为封端剂来控制晶体各向异性生长的作用。该材料结合了高结晶性、高比表面积和表面活性位、高孔隙率、低电阻等特点作为光阳极具有优异的光电催化活性。多孔F掺杂金红石型TiO2光阳极在100mW/cm2的AM1.5G标准太阳光照射条件下，在相对于AgAgC1电极-0.33V处的光电产氢效率达到0.35％，为未掺杂实心TiO2单晶对比样的10倍。