二氧化钛是一种典型的过渡金属氧化物,具有优良的物理化学性能以及化学稳定性,在光催化、光电转换、气敏传感等领域已经得到广泛的应用。自从2001年Grimes首次利用阳极氧化法制备出二氧化钛纳米管阵列(TiO2 nanotube arrays)以来,由于其具备众多新奇的特性和广阔的应用前景,TiO2纳米管阵列已经引起了广大科学工作者的广泛关注。TiO2纳米管阵列具备形貌与结构独特,比表面积大等优点,然而与传统的TiO2材料类似,也因为其组成成分而存在对可见光基本无吸收的缺陷,因此需要对其进行适当的改性处理(如复合其他材料、掺杂其他元素等)以改善其固有缺陷,提高其应用价值。本工作使用阳极氧化法,通过改变各种参数实现了形貌与结构可控的TiO2纳米管阵列的制备,并对TiO2纳米管阵列进行了合理的改性处理,提高其了在可见光下的光催化性能。全文从结构上分为六章。第一章为绪论,主要介绍了本工作的研究背景、研究的目的和意义,以及主要的研究内容；综述了目前世界范围内对TiO2纳米管阵列在可控制备、材料改性、开发应用等方面的研究进展以及发展趋势。第二章为实验材料与方法,主要介绍本工作各个研究中采用的实验材料和方法,重点介绍了阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列以及水热法制备碳修饰TiO2纳米管阵列的实验方法和制备工艺；另外对样品形貌结构表征以及性能测试中所采用的主要测试设备和方法进行了介绍。第三章研究了TiO2纳米管阵列的可控生长以及生长机理。系统地研究了在HF水溶液、HF／乙二醇有机溶液和HF／丙三醇／H2O混合溶液等三种电解液中阳极氧化Ti金属制备TiO2纳米管阵列的情况,发现不同电解液中阳极氧化Ti金属的电化学反应过程不同,因此制备的TiO2纳米管阵列形貌与结构也不同；系统地研究了如何通过改变阳极氧化过程中的各个参数,包括外加电场类型、外加电场电压值以及阳极氧化的持续时间等,对TiO2纳米管阵列的形貌与结构进行精确控制,并对各种不同参数的改变对TiO2纳米管阵列形貌与结构产生影响的原因进行了全面而合理的解释；首次发现了HF／乙二醇电解液中HF含量的变化会对阳极氧化制备的TiO2纳米管阵列形貌与结构产生影响,认为是HF含量变化导致的电化学腐蚀程度不同从而导致TiO2纳米管的管径产生变化,补充和完善了阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列的生长机理；对形貌与结构各不相同的三种TiO2纳米管阵列的光电性能进行了研究,研究发现其光电性能随着比表面积的增大而提高。第四章主要研究了碳修饰TiO2纳米管阵列的制备及其光催化性能。首次通过水热法在TiO2纳米管阵列的表面沉积了一层厚度小于1nm的碳单质,研究发现水热溶液中葡萄糖的含量对复合状况有很大影响；系统地对这种复合材料的各项性能,包括紫外可见吸收、光催化降解有机污染物、光生电流等进行了研究,发现其在可见光下的光催化性能远高于未复合过的TiO2纳米管阵列,做出了这种复合材料可见光照射下光催化行为的合理推测。第五章主要研究了氮掺杂TiO2纳米管阵列的制备及其光催化性能。系统地研究了如何通过阳极氧化离子渗氮处理过的Ti金属制备氮掺杂的TiO2纳米管阵列,研究发现TiO2纳米管阵列中被掺杂进原子含量为1%的N元素,形成了N—Ti—O的结构；系统地对氮掺杂TiO2纳米管阵列的各项性能进行了研究,发现其在可见光下的光催化性能远高于未掺杂的TiO2纳米管阵列,认为是氮的掺杂引起TiO2纳米管阵列的禁带宽度的降低,使其具备吸收可见光的能力,从而其在可见光下的光催化活性得以提升。第六章是全文总结,对全部工作的内容做了简明扼要的总结。最后,简要介绍了作者在攻读博士学位期间的科研情况和公开发表的论文情况。