自1972年光催化产氢现象被发现以来,半导体光催化技术被看做是应对能源危机与环境污染这两大全球性挑战的最重要手段之一。为推动光催化产业的规模化、工业化,有必要对光催化材料的制备、表征及其基本原理进行深入的研究与探索。基于火焰喷雾热解技术（FSP）在制备纳米催化剂方面具有快速、可控、高通量等优点,但两相甚至多相结构催化剂的火焰合成与调控仍是亟待解决的难题。本文首先采用FSP合成了具备高产氢活性的CuO_x/TiO₂纳米光催化材料,X射线衍射（XRD）结果表明样品中TiO₂以金红石与锐钛矿结构并存的形式存在,结合X射线光电子能谱（XPS）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）等表征手段,发现火焰合成样品中铜元素以TiO₂晶格掺杂与TiO₂表面负载的形式同时存在,铜元素的晶格掺杂伴随着TiO₂中氧空位的形成,而铜元素的表面负载则主要以高分散的CuO、Cu₂O纳米团簇的形式存在。光催化产氢实验结果显示,火焰合成的CuO_x/TiO₂催化剂催化产氢效率较商用P25 TiO₂高约22倍。为了理解CuO_x/TiO₂催化剂的构效关系,本文以金红石相TiO₂晶格为理论计算模型,研究了铜离子在TiO₂晶格中的取代掺杂对TiO₂光催化性质的影响,同时考虑了晶格中不同位点氧空位（V_O）的影响,发现Cu离子掺杂或V_O修饰金红石相TiO₂晶格均可以形成带隙能级,Cu离子的存在促进了TiO₂晶格中氧空位的形成。Cu和V_O的相对位置对TiO₂电子结构具有重要影响,相对距离较近时,易形成深电子捕获能级,不利于激发电子的迁移与反应,而相对距离较远时,易形成浅电子捕获能级,利于激发电子空穴的分离。本文进一步研究了CuO纳米团簇在TiO₂表面的负载修饰的尺寸效应,基于模拟退火-密度泛函理论（DFT）方法对不同尺寸（CuO）_n团簇（n=1⁶）进行了建模,发现随团簇尺寸增大其稳定性提高,且原子、电子结构表现出接近体相CuO的趋势。负载TiO₂表面的团簇尺寸对体系的能带不连续性、电子空穴对分离效率、以及光吸收能力产生不同的影响。（CuO）₃团簇负载TiO₂（对应掺杂浓度为⁷.7 mol%）具备较高结构稳定性、较好的电子空穴对分离效率以及光吸收能力,是较为理想的异质结光催化材料。