二氧化钛(TiO2)具有优异的电学、力学、光学和热学等物理化学性质,在光催化、光伏电池、传感器和生物工程等方面均有广阔的应用前景。经过多年的研究与发展,不同晶型、形貌、表面态和尺寸的TiO2纳米材料均被开发研究用作不同的用途。然而,不论是在力学方面,还是在功能化应用方面,纳米TiO2的研究均未取得突破性的进展。与体相结构不同,纳米结构的TiO2存在量子效应、尺寸效应、表面效应和耦合效应等,宏观力学理论多数情况下是不适用于纳米尺度下的材料。本文以低维结构的纳米TiO2为研究对象。首先,介绍了 TiO2纳米复合材料的制备、调控和表征方法,并详细地研究了它们的物理化学性质。其次,研究了TiO2纳米复合材料在环境净化、能源储存和能源转化等功能化应用方面的性能,并探讨了相关机理;再次,通过基于量子力学的第一性原理,研究了 TiO2纳米带的微-纳力学性质及其对能带结构和光学性质的影响;然后,基于板壳力学理论,采用等效连续介质模型,模拟计算了 TiO2纳米带和纳米管的力学行为,并用原子力显微镜的测试结果验证了理论模型的合理性;最后,通过分子动力学模拟了单壁TiO2纳米管与水分子之间的相互作用。本篇论文一共有七章,其主要内容如下:(1)通过原位接枝-石墨化的方法在TiO2纳米带表面均匀地构筑了不同厚度的碳硅层。在光催化降解有机污染物方面,所制备的复合材料不仅光催化降解性能较商业化的纳米TiO2(德固赛,P-25)有2.5倍的提高,并且适用于不同种类的有机染料;在作为锂离子电池负极材料时,这种核壳复合结构对于抑制在充放电过程中的体积膨胀具有良好的效果,即使经过100次的循环其容量依然能保持在较高的水平;在能源转化方面,我们通过采用机械化学法,克级、绿色地制备了一种稳定高效的光催化剂。在所制备的材料中,性能最佳的光催化剂在AM 1.5G(一个太阳光的强度)的光照下水裂解的效率为33.3 mmol·h-1·g-1,这样的效率比已报道的相关克级制备的光催化剂都要高。经计算,其太阳能制氢效率达到了 1%,证明了我们所制备的光催化剂在抑制光激电子-空穴对再结合方面具有良好的效果。(2)利用第一性原理,我们研究了锐钛矿型TiO2纳米带的力学性能及其对能带结构和光学性质的影响。研究表明,虽然块体锐钛矿型TiO2在[100]和[010]方向上是各向同性的,但是TiO2纳米带却呈现出各向异性,其结构、杨氏模量、破坏机制和泊松比在两个方向均展现了不同的结果。另外,我们发现两个方向的单轴拉伸均会对TiO2纳米带的光吸收产生影响,但是它们作用机制却不尽相同;除此之外,我们系统地研究了存在氧缺陷(Vo)的TiO2纳米带的几何结构、形成能、电子结构以及力学性质。计算结果表明:随着氧原子空缺位置的深入,其体系形成能越低,也就意味着缺陷越容易产生;无氧缺陷和含氧缺陷的TiO2纳米带在力学性能上存在一定的共性,尤其是在结构破坏变化上。然而,由于氧原子的缺失,含氧缺陷的TiO2纳米带一些力学性质有着不同程度的变化,这应该归因于应力条件下内部晶体结构的重整;(3)基于板壳力学理论,我们将TiO2纳米带和纳米管分别抽象为二维薄板模型和圆柱壳体模型,讨论其在对应的工作环境中承受载荷条件下的力学行为,建立其相应的连续介质或等效连续介质力学模型,理论计算其力学行为;并且结合原子力显微镜的实测结果,进行理论与实验结果的对比,以此来检验理论模型的合理性,为TiO2纳米带和纳米管的研究提供理论基础。(4)通过分子动力学的方法,构建了单壁TiO2纳米管与水分子的几何模型与流体模型。利用Lennard-Jones(LJ)势场模拟固-液的相互作用,使用SPC/E势场模拟水分子之间的相互作用,进而模拟计算了单壁TiO2纳米管与水分子的相互作用关系。通过改变TiO2纳米管表面的亲水与疏水性来模拟光照和非光照环境,并比较不同环境下水分子在TiO2纳米管内部的速度分布、密度分布及滑移长度。研究水分子在TiO2纳米管内部的运动、吸附和流动等力学行为可以为力学与光催化的交叉研究搭建桥梁。