光催化分解水制氢，即在催化剂的作用下利用太阳能将水分解成氢气和氧气，是一种可再生的清洁能源产生方式，已经引起了科学家的广泛关注。到目前为止，人们已经研发出数百种光催化剂，其中，TiO2由于其高光催化效率、耐腐蚀、无毒以及价格低廉等优点被广泛认为是最有潜力的光催化剂之一。但是，由于TiO2材料的自身局限性，如带隙宽、光生电子空穴复合快、表面逆反应等，极大地限制了其光解水产氢效率。为了解决这些问题，科研工作者们做了许多努力，其中主要包括化学调控和形貌调整。这些已有的研究，较少将化学改性与形貌调控相结合，而且往往需要负载贵金属才能有效提高产氢率。本课题旨在通过形貌调控，及其与化学改性的协同效应，获得具有高效产氢能力的TiO2基光催化剂，并避免贵金属共催化剂的使用，以有利于成本的降低。　　本论文利用射频反应磁控溅射的方法成功制备了一系列具有不同形貌和组份的TiO2基薄膜催化剂，重点研究了它们的形貌（尺寸、形状、暴露面）、缺陷和成分对光催化分解水产氢性能的影响，具体的研究内容如下:　　(1)采用射频反应磁控溅射技术，在50-600℃范围内制备了一系列TiO2薄膜。发现薄膜的形貌可以通过基底温度来调节;随着基底温度的升高，组成薄膜的TiO2晶粒从准球形纳米颗粒转变为纳米棒且薄膜中的氧空位和Ti3+的浓度逐渐降低。我们探讨了相应的薄膜生长机理，并研究了薄膜的形貌、氧空位/Ti3+浓度与TiO2光催化水分解制氢性能之间的关系。　　(2)采用射频反应磁控溅射技术，制备了由具有{110}侧表面的纳米棒(NR-110)及覆盖在纳米棒表层的厚度大约为150nm的纳米颗粒所组成的TiO2薄膜，实验结果表明该薄膜在甲醇水溶液中的光催化产氢速率高达10.9mmolm-2 h-1，是普通锐钛矿TiO2的报道值的～1000倍。在此基础上，我们进一步发现薄膜的形貌（尺寸、形状以及暴露的晶面）及结晶度可以通过调节靶的溅射功率、基底温度、溅射时间以及氧气流量来控制。通过调节这些实验参数，成功制备了由侧面主要为{110}面的纳米棒组成的TiO2纳米棒薄膜。发现其在甲醇水溶液中的光催化产氢速率高达14.35mmol m-2 h-1，对应全光谱下的外量子效率为1.13％，紫外光下为37.4％。此外，其在纯水中也表现出优异的全光解水活性，对应的产H2和O2产率分别为99.5和47.4μmol m-2 h-1，这在锐钛矿相纯TiO2中还未见报道。其光催化效率可以与贵金属修饰的TiO2基光催化剂相比拟。由此可见，通过形貌调整可以将纯TiO2变成高效的光催化剂。　　(3)通过磁控溅射技术合成了一系列具有不同Cu含量的CuxO-TiO2纳米棒薄膜，其最优的Cu含量为2.72％，对应的薄膜在甲醇水溶液中的光催化产氢速率为53mmol m-2 h-1，是纯TiO2纳米棒薄膜的～15倍;进一步研究发现:CuO是不稳定的，将会在光催化反应的初始阶段被还原成Cu2O，且高度分散的Cu2O是提高TiO2光催化活性的关键。在此实验的基础上，我们在不同气氛下合成了一系列具有相同Cu/Ti比的CuxO-TiO2薄膜(Cu-TF)，并进一步确定了主导CuxO-TiO2优异光催化活性的因素。研究发现无论在缺氧还是富氧条件下制备的薄膜，CuO均会在光催化反应的初始阶段被还原成Cu2O甚至金属Cu; Cu2O可以作为有效的共催化剂促进光生载流子的分离，且金属Cu的存在可以进一步提高TiO2的光催化活性;此外，催化剂表面化学吸附氧的浓度也是影响CuxO-TiO2光催化活性的重要因素。