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利用太阳能分解水制取氢气是获取可再生能源的理想方法。TiO2纳米管阵列在光解水的应用有极大的潜力。然而获得规整的开口TiO2纳米管阵列仍存在困难，相结构对TiO2纳米管阵列光电性能的影响仍有待探讨，TiO2纳米管/Ti基底界面阻挡层厚度控制仍鲜见报道。再者，目前TiO2纳米管阵列光解水的能量转换效率约为1%，远小于目标值10%。针对以上问题，本研究改进制备规整开口的TiO2纳米管阵列的方法，研究TiO2纳米管阵列相结构对光解水性能的影响，以期提高光解水的能量转换效率。改进了的制备规整开口的TiO2纳米管阵列方法为单液两步阳极氧化法：首先通过阳极氧化并退火在金属Ti表面形成金红石相保护膜，再通过第二步阳极氧化使保护膜的孔洞向下生成规整的纳米管阵列，并且保护膜在溶液中有较好的抗腐蚀性能，能有效阻隔纳米管口与电解液的接触，避免纳米管口因化学溶解而分裂成纳米线。本方法所制备的TiO2纳米管的壁厚、外直径和长度分别为20nm、135nm和21μm左右。研究了热处理对TiO2纳米管阵列的相结构的影响。研究结果表明：随着退火温度升高，TiO2纳米管结晶度提高，光电流密度也随之增大。而当退火温度高于650℃时，金红石相的出现降低了锐钛矿相的含量，光电流密度下降。采用更快的冷却速率，锐钛矿-金红石相转变起始温度向高温推移，说明较快的冷却速率能抑制金红石相的形核与长大。采用较快的冷却速率能抑制冷却过程中TiO2纳米管/Ti基底界面阻挡层厚度的增加，利于光电流密度的提高。利于XPS进行元素分析表明，在有机溶液中阳极氧化制备的TiO2纳米管阵列发生C掺杂。紫外-可见光分光光度计研究发现TiO2纳米管阵列对可见光的吸收能力显著增强。经过650℃退火30min并采用油冷方式冷却的TiO2纳米管阵列光解水能量转换效率达到1.8%。