TiO2光催化剂具有催化活性高、化学性质稳定、经济易得、安全无毒等优点，是目前公认的最佳光催化材料。可以被广泛应用于有机气体污染物降解、废水处理、光解水产氢、表面自洁净等领域，属于液固、气固相反应的范畴。但由于TiO2半导体材料存在光生电子-空穴复合率高，禁带宽度大的缺陷等问题，而未得到广泛的应用。为此，本研究针对 TiO2光催化材料在自清洁、气相、液相污染物降解和光解水出氢应用中存在的问题，利用特殊晶面调控、GR负载、SrTiO3异质结等方式设计制备了三种 TiO2基高效纳米复合材料，以提高其在各自应用中的光催化活性。并利用 XRD、SEM、UV-vis、电化学性能测试等一系列表征手段，分析材料的晶面结构、表面形貌和光学性能等，探究材料的合成和光催化工作机理，为TiO2基高效复合材料的设计构建和应用研究提供基础。
　　首先，利用对向靶磁控溅射法，通过对溅射压强的调节，在{001}SrTiO3基底上异质外延生长{001}晶面取向生长的单层 TiO2纳米薄膜。通过 XRD、SEM等一系列表征分析得知，随着溅射压强的增大，{001}TiO2纳米晶先按照原子层状生长模式后按照岛状模型生长。在溅射压强为1.5 Pa时制备的{001}TiO2/{001}SrTiO3异质外延薄膜具备优异的光电化学性能和亲水性。这归因于优异异质结的形成能够有效抑制光生电子-空穴对复合，且{001}晶面具有强氧化性，能够形成较多的表面自由基。
　　其次，本研究利用锐钛矿相 TiO2强氧化性的特性，采用简易水热法，通过添加氧化石墨(GO)以及 HF 酸，得到{001}TiO2/GR 纳米复合材料。通过一系列表征分析方法，研究了GO和HF添加量对TiO2晶体形貌、{001}晶面暴露比例和光学性能的影响机理。并在GO添加量为18 mg，HF酸为3 mL时，制备出高活性的{001}TiO2/GR纳米复合材料，30 min内对VOCs气相污染物的降解效率高达70%，明显高于商业P25。光催化活性得到提高的工作机理为：GR碳材料的负载能够增强光吸收，有效增大吸附表面积，抑制电子-空穴对的复合。HF酸的添加可以促进强氧化性的{001}高能晶面的生长，并且与低表面能的{101}晶面形成晶面结抑制光生载流子的复合。
　　再次，研究利用板钛矿相TiO2的还原性明显优于锐钛矿相和金红石相TiO2。通过添加NaBH4和GO, 利用简易水热法合成Ti3+-(211)TiO2(B)/GR纳米复合材料。因(211)晶面具备较强的还原性，GR的负载，以及Ti3+自掺杂可以引入中间能级降低TiO2的禁带宽度，有效抑制光生电子-空穴复合。因此，材料显示良好的光水解出氢的能力，是同条件下制备纯板钛矿样品的2倍。