二氧化钛(TiO₂),相比较其它过渡金属氧化物,具有良好的化学和热稳定性、强的环境兼容性和多元的功能性,已经应用于光催化等领域。然而单一的活性组分导致TiO₂的催化性能低,抑制了其应用于大电流密度下的电解水析氢和锂硫电池中。因此,为了提高TiO₂基催化剂活性组分的催化活性,本论文以TiO₂催化剂为研究对象,(1)通过C掺杂和氢热还原改性TiO₂材料;(2)在三维多孔碳材料上负载TiO₂,在还原气氛中碳化改性TiO₂/三维碳材料;(3)将TiO₂材料负载于二维柔性MXenes材料表面,使用氢热还原改性制备TiO₂/MXenes复合材料,提高TiO₂催化剂的本征活性,阐明TiO₂基催化剂的纳米尺寸、形貌、组成成分和微观结构与电催化剂的催化活性之间的关系。基于此,本论文的主要研究成果如下:1.Ti-O杂化是提高TiO₂基电催化剂析氢性能的有效途径,通过水热-碳化法将钛酸四正丁酯和聚乙二醇-400混合制备TiO₂/C前驱体,然后在还原气氛(H₂/Ar)中以不同碳化温度制备C掺杂的TiO₂/C-T电催化剂并对其微观结构与电催化析氢性能之间的关系进行探索。对TiO₂/C-T电催化剂进行微观结构分析,表明随着碳化温度的增加,TiO₂/C催化剂中锐钛矿型TiO₂向金红石型TiO₂转变,而C掺杂改变了Ti元素的存在环境,且在还原气氛中制备的TiO₂/C催化剂具有丰富的氧空位(Ovs)。TiO₂/C-T催化剂的析氢性能的研究表明,相较于850^oC和1050 ^oC下制备的TiO₂/C样品,TiO₂/C-950在电催化析氢中有着更高的催化活性和优异的稳定性。对TiO₂/C-T材料的催化机理分析表明TiO₂/C-950优异的催化活性来源于TiO₂/C材料中较强的Ti-O杂化,较强的Ti-O杂化降低了氢吸附能。该制备方法提供了一种通过C掺杂提高TiO₂/C材料中的Ti-O杂化用于大电流下析氢反应的策略。2.三维多孔碳材料表面负载过渡金属氧化物如TiO₂是可以实现对多硫化锂高效吸附和催化转化,以1,4-二氨基蒽醌为碳源,钛酸四异丙酯为钛源,通过水热-热还原法制备不同负载量的TiO₂/三维多孔碳材料(TiO₂/TPC),并研究了TiO₂的负载量对碳材料的微观形貌和电化学性能的影响。对TiO₂/TPC材料进行微观结构分析,表明所制备的TiO₂材料为纳米片相互连接而成的纳米球状颗粒,而不同负载量的TiO₂/TPC材料为三维多孔结构,且随着TiO₂含量的增加,材料中Ti元素以Ti(IV)存在。TiO₂/TPC材料的电化学性能测试表明,相较于10%TiO₂/TPC和50%TiO₂/TPC,25%TiO₂/TPC复合材料在电流密度为1 C下,经过200圈长循环后,放电比容量为704 m Ah g^-1,每圈衰减率仅为0.029%,显示出良好的循环稳定性。对TiO₂/TPC材料的电化学机理研究表明TiO₂的加入,促进了多硫化锂的催化转化,提高了多硫化锂的反应动力学,提升了锂硫电池的电化学性能。这一研究结果为合理调控TiO₂/C材料的微观结构用于提高多硫化锂的催化转化提供了一种可行的策略。3.二维MXenes材料具有优异的理化性能,但是重新堆积倾向导致二维MXenes活性中心减少,降低其在储能体系中的应用。基于此,为提高MXenes材料的电化学性能,采用水热-热还原法制备不同负载量的TiO₂/MXenes材料,并研究了TiO₂的负载量对二维MXenes材料的微观形貌和电化学性能的影响。对TiO₂/MXenes材料进行微观结构分析,表明制备的TiO₂/MXenes材料为二维片状结构,伴随着TiO₂的含量的增加,MXenes纳米片的层间距随之增大,且催化剂中Ti元素则主要以Ti-C、Ti(II)、Ti(III)和Ti(IV)形式存在。和10%TiO₂/MXenes、50%TiO₂/MXenes材料的电化学性能相比,25%TiO₂/MXenes在电流密度为2 C下,经过200圈长循环后,放电比容量仍能达到687.1 m Ah g^-1,每圈衰减率仅为0.024%,显示出优异的电化学性能。通过SEM和UV-vis测试结果表明优异的电化学性能来源于TiO₂的负载抑制了片层结构的再堆叠现象,扩大了片与片之间的层间距,提高了对Li₂S的催化转化。