化石燃料的大量使用,不仅仅导致其储备量日益减少,而且使得作为温室效应主要贡献者的CO₂排放与日俱增。因此,能源短缺和温室效应成为了21世纪公众关注的焦点。为了应对能源短缺和温室效应,开发清洁能源转化技术就显得尤为重要。众所都知,太阳能作为自然界取之不尽的清洁能源,利用太阳能模拟光合作用将CO₂以高效率和高选择性转化为如CH4和CO的低碳燃料或者通过光化学沉积制备清洁能源转化催化剂的相关研究是目前解决全球变暖和化石燃料短缺的理想解决方案。因此,本论文主要讨论碳载二氧化钛复合材料的制备及其在能源转换中的应用。本论文主要研究工作如下:（1）、利用太阳能为反应动能,光化学沉积负载贵金属是提高催化剂活性和稳定性非常有效的途径。与此同时,铂基电催化剂的氧还原活性和稳定性是涉及氧还原反应（ORR）能量转化系统关键的问题。在本论文工作中,小颗粒的Pt纳米粒子被Ti O₂表面的光生电子还原,使得Pt纳米粒子大多数选择性的锚定在Ti O₂晶体表面。另一方面,在碳表面均匀分布的Ti O₂颗粒增强了金属-载体之间的相互作用力。制备得到的Pt/Ti O₂-C催化剂与商业Pt/C相对比,明显改善了ORR催化活性,其中半波电位正移了⁴9 m V。更重要的是,经过室温下10000次循环之后,Pt/Ti O₂-C催化剂的电化学面积和质量活动分别只下降了0.8%和0.9%,远低于商业Pt/C的10.2%和33.3%。另外高温下稳定性测试也证明Pt/Ti O₂-C催化剂的稳定性要远高于商业Pt/C。实验结果显示,通过光化学沉积将Pt固定在均匀分散的Ti O₂修饰的碳表面,通过金属-碳载体之间的强相互作用力有效的提高了ORR活性,并且促进了电催化过程中电子转移数和防止了稳定性测试过程中Pt纳米颗粒的聚集。（2）、电荷载体的分离和转移及其CO₂分子的吸附是影响光催化CO₂还原的关键因素。Ti O₂半导体的界面结可以通过氢氟酸的刻蚀来调节,以此增加光生载流子的迁移速率、CO₂吸附和CH4、CO的解析。在这节工作中,我们展示了一种以质子化钛酸盐为前体,通过简单的溶解热合成路线制备得到RGO-Ti O₂纳米复合材料。从实验结果可以看出,直径为15nm的Ti O₂纳米颗粒均匀的分散在RGO表面。Ti O₂-RGO复合光催化剂可以作为将CO₂还原成CO和CH4的高效光催化剂。其中CO和CH4的光催化产率分别为5.62和26.7μmol h-1 gcat-1。（3）、目前研究开发将CO₂转化为化学燃料的高效可见光驱动的光催化剂已经取得了重大的进展。这种光催化效率很大程度上取决于CO₂分子在催化剂表面的吸附和扩散,而目前的光催化剂往往比表面低并且缺乏匹配的孔隙。为了克服这一限制,本章节报道了一种具有相对高的比表面积（988 m2 g-1）和CO₂吸附量（12.87 wt%）的多孔夹心结构催化剂,即HCP-Ti O₂-FG光催化剂。该催化剂在温和的反应条件下,不使用牺牲剂或者贵金属助催化剂,就显示出高的光催化活性,特别是CH4的光催化效率高达27.62μmol g-1 h-1。这种催化剂的高光催化CO₂还原活性可归因于对其结构的构建有助于增强CO₂的吸附与扩散、可见光的吸收和光生电荷的分离效率。本章节关于光催化CO₂还原催化剂的设计和合成为制备高CO₂吸收和转化的多孔光催化剂提供了新的见解,并且强调了MOPs与光催化剂的结构对于太阳能转化的重要性。