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环境污染和能源短缺问题严重威胁着人类社会的可持续发展。太阳能资源丰富,利用半导体光催化技术分解水制氢以及还原CO2制备碳氢太阳燃料,是解决上述问题的有效策略之一。TiO2光催化材料物理化学性质稳定,具有绿色无毒、价格低廉、原料易得等优点,但也存在光生载流子复合率较高、太阳光利用率低等不足。发展和完善TiO2基高效光催化材料,优化相关制备方法及表面改性技术,已成为TiO2光催化技术所面临的重要课题。本论文以一维TiO2纳米纤维为研究对象,通过构建一维/二维TiO2基直接Z型异质结、助催化型异质结等策略对其改性,实现了TiO2光生载流子的有效分离及光催化活性的明显增强,阐明了TiO2纳米复合纤维的光催化机理及其本质的催化“构效”关系。本论文主要研究内容包括:1、TiO2/CuInS2直接Z型异质结的构建及其光催化还原CO2性能。通过水热法在TiO2纳米纤维表面原位生长了CuInS2纳米片。TiO2/CuInS2复合纤维具有丰富孔结构、较高的比表面积(102 m2 g–1)以及显著增强的可见光吸收。X射线光电子能谱（XPS）结果和密度泛函理论（DFT）计算表明,两相复合时部分电子从CuInS2迁移到TiO2上,进而在相界面处形成内建电场。该内建电场是形成TiO2/CuInS2直接Z型异质结的本质驱动力。在其驱动下,光生电子和空穴沿着“Z”路径在两相间迁移,实现光生载流子的高效分离并保持了光生电子的还原能力。TiO2/CuInS2具有较高的CO2还原活性,CH4和CH3OH产率分别为2.50和0.86μmol h–1 g–1。增强的光催化活性归因于TiO2/CuInS2显著增强的光吸收、较大的表面积、较高的光生载流子分离效率。该工作为设计TiO2基直接Z型异质结光催化材料提供了新思路。2、TiO2/NiS直接Z型异质结的构建及其光催化产氢性能。通过水热法在TiO2纳米纤维上生长NiS纳米片制备了一种TiO2/NiS复合纳米纤维。NiS纳米片均匀且垂直地生长在TiO2纳米纤维上,保证两相的紧密接触以利于电荷转移。XPS分析和DFT计算结果表明,两相复合后NiS中的部分电子会转移到TiO2上,从而在界面处产生内建电场,促进光生电子和空穴的有效分离。原位XPS分析直接证明在紫外-可见光照射下,TiO2中的光生电子转移到了NiS上,表明形成了TiO2/NiS直接Z型异质结。这种直接Z型机理极大地促进了光生电子空穴对的有效分离,使得复合纤维的产氢速率高达655μmol h-1 g-1,是纯TiO2的14.6倍。同位素（4D2O）示踪剂测试证实H2是由水分解而成,而不是来自任何含氢的污染物。该工作提供了一种合成高效光催化产H2的直接Z型TiO2基光催化剂的有效方法。3、TiO2/MoS2助催化型异质结的合成及光催化还原CO2性能。MoS2是一种二维层状材料,在光电子学、传感器和光电催化水分解等方面表现出良好性能。然而,MoS2作为助催化剂用于光催化还原CO2还未有报道。本章利用静电纺丝法和水热法制备了一种一维/二维TiO2/MoS2复合纳米纤维材料,其中MoS2纳米片（2 nm厚）垂直地生长在TiO2纤维表面上。XPS分析和DFT计算结果表明,MoS2和TiO2在复合后存在着紧密的化学相互作用,促进了光照条件下光生电子和空穴的分离。分等级的TiO2/MoS2纳米结构增强了光吸收,提高了CO2吸附量,使材料表现出增强的光催化CO2还原活性,CH4和CH3OH产率分别为2.86和2.55μmol h–1 g–1。同位素(13C)示踪剂测试证实,产物来源于CO2而不是其它有机污染物。这项工作提供了一种合理设计和合成TiO2基光催化剂的方法以实现CO2的高效光还原。4、TiO2/GDY助催化型异质结的合成及光催化还原CO2性能。石墨炔（GDY）是一种新兴的碳异形体,具有二维特征和独特的炔键和较高的光热转换效率。探索GDY非金属助催化剂,对促进TiO2光催化还原CO2制备太阳燃料具有重要意义。本章采用静电自组装法合成了一种TiO2/GDY复合纳米材料,并用于光催化CO2还原。原位XPS和DFT计算表明,当TiO2与GDY复合后,GDY中的电子容易离域并转移到TiO2的Ti 3d空轨道中,从而在两相界面处形成由GDY指向TiO2的内建电场。该内建电场促进了光生电子的转移,提高了光生电荷的分离效率。DFT理论模拟和原位漫反射红外傅里叶变换光谱都进一步表明CO2分子在GDY上发生化学吸附和分子变形,降低了CO2还原的能垒。TiO2/GDY复合纤维具有显著增强的光催化还原CO2效率,CO和CH4产率高达50.53和2.80μmol h–1 g–1。此外,GDY显示出较强的光热效应,这也加速了CO2分子在GDY上的化学吸附与活化,促进光催化CO2还原反应。本工作表明,GDY作为一种新型碳素助催化剂,可以有效地捕获和利用太阳能,促进光生电子的转移与分离,同样也适用于其它CO2还原光催化体系。5、总结全文,并对后续工作进行展望。