环境污染和身体健康是当今社会人类发展面临的两个重大问题。阳极氧化TiO₂纳米管作为TiO₂的一种特殊一维形貌,具有比表面积大、纳米管定向排列高度有序、电子传输快和良好的固载性等优点,特别适合用作光触媒材料来降解环境中的有机无机污染物。然而受限于TiO₂半导体成分固有的两个缺陷:禁带宽度大（3.0～3.2 eV）和量子效率低,TiO₂纳米管阵列作为光触媒与实际工业应用要求仍旧存在一定的差距。同时,TiO₂作为钛及钛合金植入体表面实际的有效成分,其优异的生物相容性已有大量研究报道。TiO纳米管作为生物活性涂层能够加快表面类骨羟基磷灰石的沉积,而其中空的管状结构所带来的大表面积和药物负载能力使其能够增加表面蛋白的吸附量,并可通过缓慢释放负载药物以达到特定的治疗效果。本论文主要是对TiO₂纳米管阵列在光催化和生物医学方面的潜在应用进行初步探索,通过对TiO₂纳米管阵列形貌和成分进行改性,理解光催化和生物活性增强的原理,为TiO₂纳米管阵列在光催化降解污染物和生物材料方面的应用提供理论与实验基础。本论文的主要工作及结论有以下几点:1、利用两次阳极氧化和水热合成制备了TiO₂沿[001]晶带方向择优生长的高度有序SrTiO₃/ TiO₂异质结纳米管（SrT）。通过改变水热时间调节异质结中SrTiO₃和TiO₂的比例。SrTiO₃和TiO₂在[001]方向高度的晶格匹配是TiO₂沿SrTiO₃（001）晶面外延生长形成TiO₂ （001）优势晶面族的主要原因。与单独TiO₂纳米管相比,SrTiO₃/ TiO₂异质结构主要通过光生载流子的定向转移抑制电子-空穴复合,并降低费米能级,从而提高光电性能。2、以酸腐蚀形成的三维微米多孔钛为基底,制备了微纳结构SrTiO₃/TiO₂异质结纳米管（MNST）。三维微米多孔结构能够有效地增大材料的比表面积,增强光吸收能力并提供更多活性位点。三维微米多孔结构和SrTiO₃/ TiO₂异质结构协同增强了MNST的光催化活性。同时,得益于MNST的三维微纳结构和SrTiO₃成分,MNST能够促进钙磷盐在表面的沉积并提高蛋白质的吸附量,展现出优异的生物学活性。3、在酸腐形成的三维微米多孔钛基底上,得到了微纳结构CaTiO₃/TiO₂复合材料（MNCT）。这种三维微纳多孔结构产生了更多的活性位点,更有利于CaP盐沉积、蛋白吸附和细胞黏附生长。同时,CaTiO₃中Ca2+的释放造成材料表面局部Ca2+浓度的提高,有效加快矿化液中PO43-和Ca2+离子的富集,提高矿化初期CaP盐的沉积速度。含Ca的表面,蛋白质和细胞更容易吸附,并且吸附的细胞具有更好的活性。4、阳极氧化原位掺杂得到了 Mo掺杂TiO₂纳米管阵列（Mo-TNTs）,通过改变电解液中Na₂MoO₄的添加量,调节Mo的掺杂量。Mo⁶⁺进入TiO₂晶格内替代Ti4+位置,并在TiO₂导带下方形成掺杂能级。掺杂能级有效地将Mo-TNTs光谱响应扩展至可见光区,掺杂的Mo⁶⁺表现为电子的浅势捕获阱,并抑制光生载流子的复合。Mo-TNTs展现出改进的可见光催化活性和优异的重复使用性。