二氧化钛(TiO2)作为宽禁带的半导体材料,以其独特的光催化性能和光电性能已经成为目前能源与环境领域的研究热点之一。具有高比表面积的三维TiO2纳米材料,如纳米花,纳米球及纳米树等,相对于低维的TiO2纳米材料具有更为优异的光催化和光电性能,而TiO2的结构和比表面积很大程度上影响了它的性能。因此,优化三维TiO2纳米结构具有深远的意义。本论文着重介绍了几种连续生长的TiO2三维纳米结构的设计与制备,并将其应用于光催化及染料敏化太阳能电池(DSSC)等领域。论文的研究工作如下：通过调控水热反应条件合成了多种新型的TiO2纳米结构。包括TiO2多孔膜结构、TiO2纳米柱阵列、TiO2空心球结构和TiO2松塔结构等。对这些结构的表面形貌进行了表征,对其生长机理进行了分析,并对其未来的应用前景进行了展望,这些材料的成功制备也为后续三维TiO2纳米结构材料的调控和合成打下了基础。以一维的TiO2纳米带为支架,成功制备了TiO2纳米花带(TiO2 NFC)结构,为了深入研究TiO2 NFC的生长机理,对制备过程中TiO2纳米带添加量、盐酸和水的比例、反应时间及反应温度进行了调控。一方面,将其应用于光催化领域,光催化降解有机污染物甲基橙的实验表明,相比于商业化P25,由于纳米花带特殊的电子传输通道、高比率暴露的(001)晶面以及锐钛矿的晶型结构,使其呈现出优异的降解速率；另一方面,将其应用于染料敏化太阳能电池,将比表面积较小的TiO2 NFC(21m2/g)和P25进行物理混合以制备出不同质量混合比例(NFC:P25=0:10；1’9；3:7；5：5；7：3；9：1；10：0)的复合光阳极材料。结果表明,5：5的复合光阳极电池呈现出最高的光电转换效率(6.38%)。适量的优异导电性能的TiO2 NFC的加入有助于电子的传输,减少了界面的复合；同时3D纳米结构增强了光的散射,从而增加了光电子的数量,提高了短路电流。设计并制备一种兼具优异的电子传输性能和大比表面积(191m2/g)的三维Ti02串球结构(TiO2 HSN),将其应用于光催化和染料敏化太阳能电池。一方面,相比于商业化P25,TiO2 HSN因其大的比表面积,优异的电子传输性能以及(001)高能面的暴露,呈现出更好的光催化性能。另一方面,分别将TiO2 HSN作为光阳极膜的散射层和吸收层制备双层和单层DSSC器件。首先,TiO2 HSN作为散射层材料(P25作为吸收层)不仅起到了光散射作用,同时也吸附了更多的染料,因而提高了电池的效率；其次TiO2 HSN-DSSC增强的光电转换效率主要源于其良好的晶化、大的比表面积、好的电子传输性能以及增强的光散射效应。采用水热合成法进一步设计制备了Ag/TiO2核壳异质结构(AWT)。对不同的生长时间、反应温度及反应添加物进行了系统的研究。一方面,光催化结果表明：与P25相比,AWT呈现出更好的光催化性能,这主要源于AWT快速的电子传输能力以及Ag/TiO2异质结构的肖特基势垒效应。另一方面,将合成的Ag/TiO2的复合纳米材料按照不同的质量百分比(0%,0.5%,1%,5%,10%,20%)与P25进行物理混合制备DSSC光阳极膜,讨论了AWT含量对Ⅰ-Ⅴ性能的影响。研究表明：少量的AWT(小于5%)的加入能够增强复合电极DSSC的效率,而过量的AWT的加入反而降低了其光电性能,其中5% AWT的引入呈现出最强的光电转换效率。