二氧化钛(Ti02)作为一种无机功能材料,在科学研究领域引起了广泛的关注并获得诸多的应用。尤其在与能源、环境相关的应用方面,例如太阳能电池和光电化学分解水、光催化降解水中污染物等领域,其应用前景广阔、潜力巨大。随着纳米科学的进步,人们开发出了各种形态的Ti02纳米材料,使其性能不断提高。Ti02纳米管阵列与其它形态的纳米Ti02相比,具有比表面积更大、取向性更好等特点,且具有高效、有序的电子传输通道。这种新颖的纳米结构有望提高TiO2的光电、光催化性能。由于Ti02材料的形貌、晶体结构、化学组成等对其性能有很大影响,通过探索新型的制备技术,实现对TiO2材料的微观结构和成分进行调控,从而达到优化其性能的目的是一项非常重要和意义重大的研究工作。本文在传统的阳极氧化制备TiO2纳米管阵列的基础上,通过控制和优化氧化参数实现了对Ti02纳米管阵列的尺寸形貌的主动调控；开发出新型的晶化工艺,并与窄禁带半导体的复合,实现了对Ti02纳米管阵列的改性；采用表面光电压谱、光化学性能测试研究了改性后Ti02纳米管阵列的光电性能,阐述了其性能优化的物理机理。主要内容如下：(1)通过改变电解液体系、氧化电压、氧化时间、氧化温度等反应参数,对纳米管阵列的纳米管形貌和结构进行了研究和控制,结果表明：在不同电解液体系中,所需的氧化电压范围不同,制备的纳米管管径和管长也有差别；在同一电解液体系中,不同的氧化电压对纳米管管径和长度等形貌有影响；不同的时间和温度对纳米管的长度也有显着的影响；在不同电解液体系中,电压、时间还有温度都有一个最优区间,在这个区间制备出的Ti02纳米管阵列的尺寸形貌得以优化；在优化工艺条件的基础上,进一步采用不同的后期处理,得到了几种新型结构的Ti02纳米管阵列,包括氧化铝模板型、半壁型、弹簧型等二氧化钛纳米管阵列。(2)常温下阳极氧化法制备Ti02纳米管阵列为非晶态结构,而光电领域的应用要求对Ti02纳米管阵列进行晶化。传统的Ti02纳米管阵列晶化方法包括在空气或其它惰性气氛中高温退火,或在较高温度的电解液中阳极氧化。然而,在未来的诸多应用中,人们需要将Ti02纳米管阵列制备在塑料、高分子等低耐热性质的衬底上,这就需要在较低的温度下对Ti02纳米管阵列进行晶化。本文通过分别将常温下阳极氧化法制备的Ti02纳米管阵列置于水、乙二醇、乙醇等溶液中,通过常压或水热的方式可以在较低温度下实现Ti02纳米管阵列的晶化,同时可探索Ti02纳米管阵列的低温晶化途径。我们发现,水是最好的晶化溶液,可在40℃晶化TiO2纳米管阵列,得到高质量的、单一锐钛矿结构的TiO2纳米管阵列。(3)采用阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列同时存在阳极氧化和化学刻蚀两种过程。当阳极氧化时间较长时,化学刻蚀的作用不可忽略。适当利用这种化学刻蚀作用可以诱导纳米管劈裂,使得纳米线覆盖在纳米管表面,形成管/线复合结构,这种材料微观结构的变化往往可以导致其电子输运特性的变化,获得新颖的性能。本文通过延长阳极氧化时间制备了TiO2纳米管/线复合阵列,利用表面光电压谱(SPS)和场诱导表面光电压谱(FISPS)研究了退火对TiO2纳米管/线复合阵列表面光生电荷性质的影响,并结合晶体结构的变化分析了退火前后SPS和FISPS发生明显变化的原因。结果表明,TiO2纳米管/线复合阵列在晶化前后的导带边缘均出现了束缚激子态,晶化前由于自建场较弱,束缚激子态能在正负电场作用下发生不对称偏转；晶化后,晶体结构从非晶态变为晶态,自建场增强,束缚激子态对正电场敏感并表现出明显的光伏响应,而在负电场作用下束缚激子态没有任何的光伏响应。(4)锐钛矿结构的TiO2能带带隙为3.2eV,它只能吸收太阳光中的紫外光部分,而紫外光部分能量只占太阳光谱能量的约5%,导致其光电转化效率较低。与窄禁带半导体复合是拓展TiO2光响应范围的重要方式。CuS是一种禁带宽度为2.0eV的半导体材料,广泛用在锂离子电池、聚合物表面改性、超导等领域。本文通过水热方式实现了CuS与TiO2纳米管阵列的有序复合。电流-电压曲线表明CuS/TiO2纳米管异质结阵列具有明显的整流效应。根据表面光电压谱和相位谱,在376-600nm之间,CuS/TiO2纳米管异质结阵列表现为p型半导体特征,电子在表面聚集；在300-376nm之间表现为n型半导体特征,空穴在表面聚集；在376nm异质结阵列的表面光伏响应为零。CuS/TiO2和CuS/ITO之间界面电场的不同导致了异质结在不同波长范围内表面电荷聚集的差异。光电化学性能测试表明以CuS/TiO2纳米管异质结阵列为光阳极组成的光化学太阳电池在AM1.5G100mW/cm2标准光强作用下具有0.4%的光电转换能力。利用逐次沉积法在CuS/TiO2纳米管异质结阵列的基础上沉积了PbS量子点,进一步提高了TiO2纳米管阵列的光化学性能到1.2%,CuS/PbS/TiO2纳米管异质结阵列光阳极获得了1.46%的光电转换效率