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以钛酸丁酯为前驱体,采用溶胶-凝胶法制备了纳米TiO2粉体材料并利用XRD、FS、SEM、IR、TG-DTA等技术手段进行了表征,研究了反应物配比、水解反应温度、体系pH值、搅拌速度、加料体积、干燥条件、锻烧温度等工艺条件对二氧化钛的晶粒大小及分布、晶型组成、光催化活性等因素的影响。优化的制备条件为:钛酸丁酯、水量、乙醇量的配比为1:4:15;水解反应温度为20-30℃;反应体系pH值为2;搅拌速度为300 r/min;采用低温阶段式慢速升温进行干燥;煅烧温度控制在400℃左右。所得产品为锐钛矿型二氧化钛,平均粒径约8nm。为提高纳米二氧化钛光催化反应的量子效率,本文对纳米二氧化钛进行了过渡金属离子（Mn2+、Fe3+、Cu2+）和稀土离子（La3+、Y3+）的掺杂,以苯酚的光催化降解为反应探针,评价其光催化活性,并与未经修饰的纳米二氧化钛进行比较。实验表明,过渡金属离子或稀土离子掺杂能有效提高纳米TiO2的光催化活性,催化效率的改变与掺杂离子的电子层构型、离子半径、离子氧化还原电位、掺杂离子浓度等因素有关;在本文的实验条件下,0.5%的Fe3+掺杂对苯酚的催化降解效果最佳。另外,本文还考察了过渡金属复合氧化物FeMnCuO4与纳米TiO2共同形成的复合光催化剂,但在对苯酚的降解中未观察到光催化效率的明显提高。纳米TiO2的光催化降解苯酚的反应受多种影响因素的限制,本文通过改变光照强度、溶液pH值、催化剂用量、苯酚液初始浓度、空气通入量等反应条件,考查其对光催化降解苯酚的影响。结果表明,纳米TiO2用量为2.50g/L,pH=9时降解效率最高;苯酚溶液初始浓度在70mg/L以下时,降解效率皆随其浓度的增加而增加。为深入探索纳米TiO2微观结构状态与光催化性能的关系,本文采用模型化学的方法,利用量子化学的从头计算（ab initio）和密度泛函（DFT）理论,定量计算和研究了锐钛型纳米TiO2的量子尺寸效应及修饰效果。结果显示,纳米TiO2 Fermi能级附近的能级间隔随模型线度减小而增大,呈现明显的量子尺寸效应;过渡金属离子掺杂的模型计算表明,掺杂将会在Fermi能级附近引入杂质能级,导致吸收光红移,扩展了锐钛型纳米TiO2光谱吸收频率的范围,这也是过渡金属离子掺杂能提高纳米TiO2的光催化活性的原因之一。