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一维二氧化钛纳米管阵列(TNTAs)结构高度定向而紧密堆积,具有比表面积大、吸附强、传导性高、带隙可调和化学稳定性良好等优点,在光催化、水分解、传感和染料敏化太阳能电池等领域应用前景广阔。相关的基础理论研究无疑意义重大,而迄今对亲水性金属氧化物纳米管内分子吸附及反应的研究缺乏。在我们组前期建立TNTAs模型的工作基础上,本文采用密度泛函理论研究了TNTAs的稳定性、几何和电子结构、吸附和催化反应性能,以期为实验提供合理的解释和预测。首先,研究了由锐钛矿(001)纳米片形成的纳米管阵列的性质。结果表明,(001)TNTAs比单层的(001)纳米片更稳定,是间接半导体；与体相TiO2类似,价带和导带分别主要是由O2p和Ti3d组成。其次,研究了能源和环境中常见的气体分子O2、H2、CO、NO、 H2O、CO2、NO2、N2O、NH3和CH4在TNTAs中的吸附行为。结果表明,同种气体分子与(18,0)TNTAs的相互作用比(12,0)的更强。NH3和H2O的吸附能高于-0.6eV,是强化学吸附；而其余气体则在-0.1～-0.3eV之间,是物理吸附。Mulliken电荷分析表明所有分子是电子供体。态密度分析表明,仅有O2、NO和NO2的吸附引起TNTAs电子性质的显著改变。最后,进一步研究了掺杂改性的TNTAs分解水的电催化性能。结果表明,Pt沉积(Pt/TNTAs)、N掺杂(N-TNTAs)、Pt沉积N掺杂(Pt/N-TNTAs)和Pt沉积F掺杂(Pt/F-TNTAs)能修饰完美TNTAs (p-TNTAs)的带隙,而F掺杂(F-TNTAs)修饰作用虽很小,却促进载流子扩散。合理的掺杂改性能很好地降低TNTAs分解水的过电势,尤其是金属和非金属共掺杂导致最大的降低值,这归因于协同效应。过电势可分成两组：一组是p-TNTAs、Pt/TNTAs和N-TNTAs的更高过电势,约1.0V；另一组是F-TNTAs、Pt/N-TNTAs和Pt/F-TNTAs的更低过电势,约0.6V。此外,中间产物O*和HO*(或者O*和HOO*)的成键能之间存在着两种线性关系,分别对应着具有更高和更低过电势的TNTAs。该通用规则有助于促进TiO2基新型材料的设计。