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纳米二氧化钛光催化剂在污水处理和光能转化中获得了广泛的应用，但粉末状纳米二氧化钛在应用时存在易团聚和难以回收利用等问题，限制了实际使用范围，二氧化钛膜材料具有更广阔的应用前景。但二氧化钛膜材料的吸附能力较差、催化活性不高，而且二氧化钛纳米光催化剂普遍存在光量子效率低和反应速率慢等缺陷。将纳米二氧化钛光催化剂的吸光范围扩展到可见光区以及抑制光激发产生的空穴和电子的复合，成为TiO2光催化研究的重要方向。本文采用化学气相沉积法制备了碳纳米管/二氧化钛多孔复合膜和碳纳米管/二氧化钛纳米棒阵列复合膜，并分别将其应用于光催化降解污水和光催化辅助电解水制氢。
本文根据过渡金属元素（如Fe、Ni）在掺杂改性TiO2光催化剂的同时，可作为CNTs生长的催化剂，采用化学气相法制备了CNTs/TiO2复合膜光催化剂，避免了CNTs强酸氧化预处理过程中对其优良电性能的影响。首先通过喷雾热解法(SPD)组装掺杂铁和镍的多级孔TiO2薄膜，再采用化学气相沉积法(CVD)在多级孔结构的TiO2复合膜上原位生长CNTs，制备多级孔CNTs/TiO2复合膜，碳纳米管较均匀地分布在整个膜层。以甲基橙降解为模型反应，考察了CNTs/TiO2多孔复合膜光催化性能和膜材料的使用稳定性，结果表明CVD反应生长CNTs的温度为550-600℃、时间为20min时得到的CNTs/TiO2多孔复合膜样品表现出最佳的光催化性能。
为了得到有序结构的TiO2纳米棒阵列和CNTs的复合膜材料，采用化学气相法在TiO2纳米棒阵列上生长CNTs，得到一维结构的.CNTs和TiO2纳米棒交叉生长的复合光催化剂膜材料，通过XRD、Raman、SEM等方法分析CNTs/TiO2纳米棒阵列复合膜材料的结构，采用光催化辅助电解水制氢过程考察了复合膜材料的光催化性能。结果表明，CNTs生长在TiO2纳米棒表面以及棒与棒阵列结构之间的间隙中。在2.0V外电压和紫外光辐照下，CNTs修饰的TiO2纳米棒阵列膜较纯TiO2纳米棒阵列膜的产氢效率提高了约2倍。