半导体光催化技术在利用太阳能和解决环境污染方面具有广泛的应用前景。在众多的氧化物半导体光催化材料中,TiO₂可表现出在光照下的强氧化性、无毒和长期稳定性等在净化环境方面的诱人特性。但是,TiO₂光催化材料的光生电子-空穴对复合几率较高、锐钛矿型TiO₂对太阳光的利用率低等技术问题又严重阻碍TiO₂光催化材料的工业化应用。近十几年来,世界各国的科技工作者一直在努力探索多种制备方法和改性技术,以期提高TiO₂光催化效率和对太阳光的利用率。本工作侧重发展电化学阳极氧化技术,在钛金属基体表面制备一层具有特殊纳米结构的TiO₂纳米管阵列膜。利用SEM、XRD、Raman、UV-Vis漫反射谱、EIS和光电流谱等表征方法系统地研究了电化学阳极电压、氧化时间、溶液搅拌和电解液组成等制备参数对纳米管膜层表面形貌和组成成分的影响,并对其光电性能及在光催化领域的可能应用进行探讨。通过TiO₂纳米管阵列膜对甲基橙水溶液的光催化降解,详细研究TiO₂纳米管阵列膜的晶型、几何结构与其光催化活性的关系;并采用湿法掺杂对TiO₂纳米管阵列膜进行改性,有效地提高其光催化性能,为高活性的TiO₂纳米管阵列膜的实际应用提供理论依据和实验支撑。主要的研究进展及成果如下:1.发展了含有丙三醇的新型含氟电解液体系,使得阳极氧化的电压范围拓宽为5～33V,制得的TiO₂纳米管阵列膜层厚度可达微米级,纳米管的管径大小在20～150nm之间。发现阳极电压、氧化时间和电解液体系中丙三醇的含量与纳米管阵列的形成和几何构型之间的关系,并探讨和分析各个因素影响纳米管阵列生长的机制。通过调节制备参数可实现对TiO₂纳米管阵列尺度和形貌的可控制备。2.研究了TiO₂纳米管阵列膜的光电性质,发现纳米管阵列膜光催化降解水溶液中甲基橙的光电化学反应只有一个速率控制步骤,即电荷传递过程;且TiO₂纳米管阵列膜的光电响应明显优于溶胶-凝胶法制备的TiO₂纳米颗粒膜,并随膜层增厚,光电流值增大,这表明TiO₂纳米管阵列膜具有更加优异的光催化性能。3.以甲基橙为模拟污染物,研究了具有高比表面积的TiO₂纳米管阵列膜的光催化性能。发现TiO₂纳米管的特殊阵列结构使其具有优异的光催化性能,能迅速破坏甲基橙有机大分子结构,并完全降解为无机小分子,且其光催化效率明显高于用溶胶-凝胶法制备的TiO₂纳米颗粒膜。侧重考察纳米管阵列的几何构型和热处理温度对其光催化降解性能的影响,结果表明,经500℃热处理,厚度为2.5μm的TiO₂纳米管阵列膜具有较高的光催化活性。4.采用NH₃·H₂O直接浸渍方法,成功实现TiO₂纳米管阵列膜的氮掺杂。通过氮元素进入TiO₂晶格,获得的TiO_2-xN_x纳米管阵列膜具有良好的可见光响应,光催化降解甲基橙的性能优于纯TiO₂纳米管阵列膜。5.首次采用脉冲电流沉积法结合阳极氧化法制备银掺杂TiO₂纳米管阵列膜,实现银纳米粒子在TiO₂纳米管阵列膜内的高度分散负载,有效减少了光生电子-空穴对的复合几率,进而提高TiO₂纳米管阵列膜的光电响应。