目前,全球面临的能源和环境形势相当严峻。利用太阳能的光催化技术成为研究热点,广泛应用于光解水、燃料电池、光电探测、生物医学、降解有机物、锂电池等领域。TiO₂作为光催化领域应用最广泛的半导体催化剂,具有无毒性、低成本、合适的能带结构、化学稳定性好和光稳定性好等优点。然而,TiO₂具有较宽的带隙能(3.0-3.2 e V),只能吸收波长小于380 nm的紫外光,极大限制了对太阳能的开发和利用。另外,纯TiO₂的光生电子—空穴容易复合,降低了光电转换效率。为此,本论文针对TiO₂半导体光生载流子易复合以及太阳光利用率低的问题,通过将TiO₂与窄带隙半导体复合,提高半导体对可见光的吸收,同时通过构建界面异质结提高光生载流子分离和界面电荷转移,从而提高光电转换效率。具体研究工作如下:一、完全耗尽型双p-n异质结Cu₂O/Ni(OH)₂/TiO₂用于光催化分解水制氢的研究首先,采用水热法制备钛酸盐纳米管,再经400℃煅烧获得TiO₂纳米棒;采用化学浸渍法在TiO₂表面负载Ni(OH)₂纳米颗粒;最后采用超声辅助葡萄糖还原法在Ni(OH)₂/TiO₂催化剂上负载Cu₂O纳米颗粒,获得了双p-n型异质结Cu₂O/Ni(OH)₂/TiO₂半导体光催化剂。利用窄带隙半导体Cu₂O复合,提高对可见光的吸收;利用Ni(OH)₂/TiO₂和Cu₂O/TiO₂界面形成的完全耗尽型双p-n异质结提高光生载流子分离和界面电荷转移。将该光催化剂用于光催化分解水制氢,结果表明:在紫外-可见光辐照下Cu₂O/Ni(OH)₂/TiO₂的产氢速率高达6145μmol g^-1h^-1,分别是单p-n异质结Ni(OH)₂/TiO₂和Cu₂O/TiO₂的1.9和2.7倍。在单色光(λ=420 nm)照射下,Cu₂O/Ni(OH)₂/TiO₂的表观量子产率为20.2%。连续5 h产氢循环4次实验的结果,证实了该双p-n异质结光催化剂具有较高的稳定性。二、Ti/TiO₂纳米管自支撑电极用于光辅助Li-CO₂电池的研究采用阳极氧化法制备了无定型TiO₂纳米管阵列,再经过煅烧处理获得了TiO₂纳米管。通过控制阳极氧化时间获得了不同长度的TiO₂纳米管,研究了纳米管长度对Li-CO₂电池性能的影响;结果表明:阳极氧化3 h的混晶TiO₂表现出最好的电池循环性能。通过控制焙烧温度,获得了不同晶型的TiO₂纳米管(锐钛矿、金红石以及两者的混晶相),研究了混晶相TiO₂对Li-CO₂电池性能的影响。结果表明:混晶相有利于光生载流子分离和界面电荷转移,从而提高Li-CO₂电池性能。将优化的Ti/TiO₂电极用于光辅助Li-CO₂电池的研究,对比了有光照和无光照条件下的电池性能。结果表明:相对于无光照条件下10个循环周期和4.75 V的充电电压,有光照条件下,电池表现出更高的循环周期(52个)以及更低的充电电压(3.3 V),这得益于TiO₂光生载流子有效促进电极反应动力学,提高CO₂还原(CDRR)和CO₂析出(CDER)反应速率;同时半导体价带对充电电压具有补偿作用,能够有效地降低电极的CDER反应过电势,提高电池循环性能。