二氧化钛纳米结构因为其高比表面积,低毒性,高稳定性,在能源和环境领域都有着广泛的应用,比如染料敏化太阳能电池、超级电容器、锂电池和光催化等。1999年,Zwilling和他的合作者发现了在含有氟离子的酸性电解液中,通过阳极氧化可以制备二氧化钛纳米结构。从此这种简便经济的电化学方法来制备高度有序、尺寸均匀二氧化钛纳米阵列得到了广泛的研究和应用。二氧化钛纳米结构的形貌是决定其性能的关键因素,电化学方法制备二氧化钛纳米结构的好处在于可以通过调节电化学参数来灵活地调节二氧化钛纳米结构的形貌但是目前的研究主要集中在调节电化学参数来调节比表面积等。在本论文中采用电化学阳极氧化的方法制备二氧化钛纳米结构,主要通过对衬底的处理,对电化学阳极氧化装置的改进和电化学掺杂的方法来改进新鲜制备的二氧化钛纳米管形貌,增加了比表面积,减小载流子的复合,增加了导电性等,从而改进了这种材料在光催化和超级电容器应用方面的性能。本论文主要包含以下六章,第一章主要介绍了用电化学阳极氧化的方法来制备二氧化钛纳米管的发展过程,从第一代的电解液是酸性水溶液中长度只能达到500nm的纳米管到第二代的电解液中加入酸碱缓冲剂的水溶液,可以长到6μm,再到第三代的有机溶剂,长度可以到几百微米。还包含了二氧化钛纳米结构的生成机理的背景知识,以及目前通过引入三价钛离子对二氧化钛纳米管阵列的形貌和电子结构进行调控的研究。同时还介绍了二氧化钛纳米结构的应用领域。在第二到第五章中,介绍了通过不同的手段来优化二氧化钛纳米结构的形貌,从而提高光催化或者超级电容器的效率。第六章总结论文的内容并且展望未来的工作。第二章主要描述了增大二氧化钛薄膜比表面积的有效方法。首先在阳极氧化之前,先对衬底进行机械冷加工处理,增大衬底的缺陷密度。当对衬底的做机械功量增大到60%时,腐蚀得到的样品是具有类海绵的纳米结构,大大增大了比表面积,从而可以提高光催化的效率。同时,还发现用冷加工处理过的衬底所制备的样品,在相同的电化学条件下,二氧化钛纳米管生长速度加快,同时管径也更大。第三章介绍了用四种不同导电性的电解液和不对称电极的装置(电极放在衬底的一边)来制备管径和长度梯度变化的样品。在一个衬底上生长出具有梯度变化的样品,不对称电极是必要条件,还需要在离电极距离不同的地方,施加在底部密实的氧化物上的电势差有明显的梯度变化。这个跟阳极氧化的时候采用的电压的大小,以及电解液的导电性都有关系。一般来说导电性适中的电解液和足够大的电压是比较理想的条件。在第四章中,主要介绍了我们发现的外电场对二氧化钛纳米管光催化效率的调控行为。对于新鲜制备的二氧化钛纳米管,其管壁是由两层结构所组成的,外壁是氢氧化物,内壁是氧化物的结构。在我的研究中发现通过施加横向电场,可将管壁的外层剥离。削掉外壁之后的二氧化钛纳米管,在作为催化剂时,体系中电子与空穴的复合几率变小,从而大幅度提升了二氧化钛纳米管材料的光催化效率。另外,如果延长剥离外层管壁的时间,就会在已经生成的单管壁纳米管的底部形成一层管径很小的纳米管;如果在此基础上,再施加一个纵向电场,在细管的底部又会生成一层管径比较大的纳米管。因此,交替施加纵向和横向电场,提供了一种调节二氧化钛纳米结构的方法,比如说可以得到管壁不同的多层纳米结构。第五章包含了我们探索出的电化学自掺杂对二氧化钛纳米管超级电容器和光催化效率的调节行为的研究结果。新鲜制备的二氧化钛纳米管,经退火结晶后,在负电压的作用下,部分四价的钛被还原成三价,产生大量的氧空位。富含氧空位的样品,导电性增强,光电转换效率也提高,同时,由于氧空位可以作为电子的浅施主能级,体系中电子和空穴的复合几率也变小。鉴于以上优点,自掺杂的二氧化钛纳米管在作为超级电容器和催化剂时,效率都得到极大提高。第六章,总结论文的内容并且展望未来的工作。