随着工业经济的快速发展,环境毒害气体的排放迅速增加,这些气体不仅本身有毒,而且能够吸附在空气浮尘表面在光照下产生光化学烟雾,对人们的居住环境和身体健康造成重大危害。敏感材料的研制是开发高性能气体传感器实现环境污染气体快速检测的技术关键。氧化钨(WO3),具有本征非化学计量性,耐强酸和高温环境,被认为是半导体气体传感器最有前景的敏感材料之一。本论文利用晶体结构的可调控性,构建具有特殊尺寸和形貌的氧化钨纳米结构,关联纳米氧化钨的合成、结构与气敏性能,并通过杂原子掺杂、有机/无机杂化等手段对其进行气敏改性,提高其对特定气体的选择性和灵敏度；除了优异的气敏性能,氧化钨因其禁带宽度适中、耐光腐蚀等优点在光催化领域也有着广泛的应用前景,但是氧化钨光生电子的还原能力较弱,致使纯氧化钨的光催化活性较低。本论文基于半导体的能带调控理论,通过异质结耦合和石墨烯复合等手段对分级结构氧化钨进行光催化改性,提高可见光驱动下氧化钨的光催化活性。(1)草酸/硫酸钾共混诱导钨酸晶核的生成和定向生长,在100℃的低温条件下水热合成了长径比高达50的氧化钨纳米棒。该纳米棒在200℃操作温度下对10ppm NO2的灵敏度高达209,对CO和CH4的选择性分别达到19和30。阻抗测试表明,氧化钨纳米棒的电阻变化主要由晶界电阻的变化引起,在此基础上建立了气体分子在氧化钨表面的吸附和反应模型。(2)利用超声化学“空化效应”,在室温下实现了氧化钨“零维(OD)纳米颗粒→二维(2D)纳米片→三维(3D)分级微球”自组装。该微/纳米分级结构氧化钨在10～100ppm的测试范围内,对NO2的响应时间低于10s。纳米片的交叠结构有利于气体分子在其内部的扩散和迁移,扩散速度明显加快,气体的吸附和扩散符合Knudsen模型。(3)利用有机酸分子与钨酸的螯合作用,通过调节有机酸的羧基含量和羧羟基相对数量,实现了纳米氧化钨的形貌调控。3D微/纳米分级结构具有比OD纳米颗粒、1D纳米棒、2D纳米片更高的灵敏度和更快的响应速度；3D微/纳米分级结构氧化钨更多的内部晶格缺陷,不仅增加了材料表面的活化位数量有利于气体吸附,而且能够引起氧化钨表面的能带弯曲有利于电子穿越空间电荷层。(4)运用第一性原理计算研究了氧化钨的电子能态结构及气体在其表面的吸附行为。结果表明,氧化钨的导带能级具有明显的高离散特征,其导带底主要是W5d轨道,而价带顶主要由O2p轨道构成；氧化钨的(200)表面具有最低的表面能,NO2分子在其表面优先吸附在O1c位置,并在其能带中引起新的表面能级,这是氧化钨N02敏感特性的根源。(5)从多种金属元素中筛选出锑元素掺杂对氧化钨的气敏改性效果显著。锑元素按Sb3+:Sb5+=1:2的取代位方式掺杂进入氧化钨的晶格,并以Sb6O13形式存在,造成了氧化钨晶胞的应力和原子重排,并且在氧化钨的导带中引入了Sb5p杂质能级,5wt.%Sb掺杂氧化钨对1ppm N02的灵敏度达3.2；采用原位氧化聚合法在分级结构氧化钨的骨架表面成功包覆了聚噻吩,该种有机/无机杂化材料被首次用于检测H2S气体,在70℃的较低操作温度下,10%PT-WO样品对H2S的响应速率达到0.091ppm-1,杂化材料的灵敏度是纯氧化钨的2倍,是纯聚噻吩的11倍。(6)基于半导体的能带调控理论,采用浸渍-热处理法将零维Fe2O3纳米颗粒负载到三维WO3微/纳米分级结构的骨架上,制备了多维度、负载型、异质结构的Fe2O3@WO3光催化剂,该光催化剂减少了光子的反射损失,增加了吸附和反应活化位点,拓宽了可见光的吸收范围,加速了光生电子-空穴的分离,1%Fe2O3@WO3样品的光催化活性比纯WO3提高68%；采用光催化原位还原法制备了还原氧化石墨烯/水合氧化钨(RGO/WO3·H2O)复合光催化剂,加速了WO3·H20导带中光生电子的迁移,含5wt.%RGO的复合光催化剂在可见光驱动下对罗丹明B的光催化降解速率是WO3·H2O的17倍。