本论文以纳米材料制备-界面过程-构效关系-环境应用为主线,针对目前日益严重的环境污染、能源短缺问题,以持久性有机污染物（POPs）和重金属离子的消减,绿色清洁燃料电池高催化性能阳极材料的制备应用为目标,以表面形貌均一、孔径长度可调、定向生长的阳极氧化法制备的二氧化钛（TiO₂）纳米管阵列及其复合材料为媒介,以提高TiO₂纳米管阵列的电催化活性和光电催化活性为研究重点,开展纳米材料治理环境污染的基础技术和原理研究,及高效绿色新能源电极材料性能优化的探索研究。相对于TiO₂纳米材料的常规制备技术如水热法、凝胶法、模板法等,制备TiO₂纳米管阵列的阳极氧化法有如下技术优势:低电压;小电流;常温,常压下即可完成;可操作性强,易工业化。在产品的最终形貌和实际应用方面,水热法、凝胶法制备的TiO₂多为粉体结构,难以控制最终产品尺寸使之达到均匀一致;虽然模板法能制备出特定尺寸的TiO₂纳米材料,但去除模板之后,所得产品依然是杂乱无序的。以上TiO₂产品的应用需要添加后续沉降步骤以去除混入被处理水样中的TiO₂粉体催化剂,或者需寻找合适载体负载固定,使工序复杂化。而阳极氧化法制备的TiO₂纳米管阵列完全解决以上难题:通过调控氧化电压控制TiO₂纳米管孔径大小,通过调配电解液组分,电解时间长短来调控纳米管长度;而且TiO₂纳米管生长在Ti基底上,整体结构完整,实际应用中无需载体,可直接放置于被处理水样中,之后取出即可,操作简单便捷。在此工作中,首次系统研究了TiO₂纳米管阵列的生长机理,明确影响TiO₂纳米管阵列的主要影响因素为电解液酸度;首次应用电沉积技术在TiO₂纳米管内修饰复合Pt、Au纳米颗粒,低成本制备高活性的绿色清洁甲醇燃料电池阳极材料;首次应用化学气相沉积技术对TiO₂纳米管阵列进行石墨碳修饰改性,显著提高TiO₂纳米管阵列的光生载流子传输速率,降低光腐蚀;首次电沉积制备CdTe量子点修饰TiO₂纳米管阵列并应用于湘江水样中持久性有机污染物苯并芘的痕量检测;首次开发有机电解质沉积技术,常压低温条件下在TiO₂纳米管阵列上修饰具有二级精细结构的单晶Bi₂S₃多孔材料应用于2,4-二氯苯氧乙酸-Cr（VI）复杂体系共解毒研究。具体研究内容如下所列:（1） TiO₂纳米管阵列生长机理研究。应用阳极氧化技术,在含有氟化钾和硫酸盐的电解液中,通过实时在线监测体系中的氧化电流密度、钛片阳极的质量损失速率、表面形貌变化来探讨TiO₂纳米管阵列的生长机理。结合能量弥散X射线光谱来监测钛表面氧化物的化学组分。在电氧化过程中,钛片表面首先形成一层致密的氧化钛膜,随后溶液中的氟离子与TiO₂发生反应,形成TiF₆^2-,在阻挡层上形成“点蚀”。随着阳极氧化与化学溶解的进行,点蚀不断加深,最终形成TiO₂纳米管。研究结果表明,在相对较高的pH下,能够获得较长的TiO₂纳米管阵列（第2章）。（2）以TiO₂纳米管阵列为模板,制备不同孔径的金纳米网。结合脉冲电沉积技术,在纳米管阵列上沉积金。在电场作用下,不仅有纳米颗粒沉积到纳米管的内部;还会因为纳米管阵列上较强的管口电流密度,在纳米管之间的间隙地带上会形成连续的金膜。用氢氟酸溶解掉基底TiO₂纳米管阵列,即得到金纳米网,其孔径尺寸等于模板纳米管的管径。以管径分别为50、90、140nm的TiO₂纳米管阵列为模板制备出了相应孔径大小的金纳米网。应用这种方法,还可以制备出铂和钯纳米网。这些具有新颖网络结构的贵金属纳米材料具有良好的电子传输能力和电催化性能,能应用于生物化学传感,污染物检测等领域（第3章）。（3）以TiO₂纳米管阵列为基底材料,以酸化的单壁碳纳米管为引物,结合电沉积技术制备垂直于TiO₂纳米管阵列生长的灌木状Au纳米晶体材料。在晶体的生长过程中,TiO₂纳米管阵列均匀的表面形貌和大比表面积为金核的形成提供一个均相沉积环境和大量的晶体成核活性位点。并且由于酸化的碳纳米管带负电并且可以沿着电场方向排列。在碳纳米管的引导作用下,Au晶体也沿着电力线自然生长,由于电力线是垂直于TiO₂纳米管阵列电极表面的,最终得到了垂直于TiO₂纳米管阵列生长的灌木状金晶体。这种特殊形貌Au晶体修饰的TiO₂纳米管阵列电极能够高灵敏响应污染水体中的高毒性重金属离子As³⁺。应用同样的方法得到了具有花状,树状结构的Pt晶体。这种贵金属纳米材料由于其独特的三维立体结构及生长方向,能应用于电学,光学,电催化,光电催化领域（第4章）。（4）结合脉冲电沉积技术在阳极氧化TiO₂纳米管内部沉积粒径为20 nm的Co-Ag-Pt复合纳米颗粒,构建一种新颖的电催化材料。以Mn²⁺/Mn³⁺为探针,探讨了复合材料的电催化性能。与标准Pt电极相比,Mn²⁺/Mn³⁺探针在复合材料上的氧化峰电位负移93mV,峰电流提高9倍（第5章）。用以上方法将AuPt纳米颗粒修饰到TiO₂纳米管内部,并将制备的AuPt/TiO₂纳米管阵列作为阳极材料应用于清洁能源甲醇燃料电池,获得了良好的催化效率。比较了酸性与碱性条件下复合材料催化性能,研究结果表明碱性条件下的MOR阳极峰电流是酸性条件下的三倍。（第6章）。（5）以320nm长的TiO₂纳米管阵列为基底,以聚乙二醇6000为碳源,利用化学气相沉积技术在纳米管内壁上修饰石墨碳层,并在复合纳米管阵列上应用脉冲法电沉积Pt纳米颗粒。构建了另一种应用于甲醇催化氧化反应（MOR）的新阳极材料。该材料吸附能力强,导电性能好,物理化学性能稳定,抗CO毒性能力高,是一种性能优异的甲醇催化氧化反应阳极材料。当Pt负载量为23μg cm^-2时,MOR电流密度高达71.6 mA cm^-2,是没有碳辅助下Pt纳米颗粒修饰TiO₂纳米管阵列上MOR值的27倍。由于TiO₂, C和Pt都具有良好的生物兼容性,所以这种复合材料在生物传感领域也有应用前景（第7章）。（6）优化改进上述气相沉积技术,在8μm长的TiO₂纳米管阵列内部沉积具有石墨结构的碳纳米管（CNT）,构建了一种具有新颖的“管套管”结构的纳米复合光催化剂。CNT能显著提高TiO₂纳米管阵列的吸附能力并提高光生载流子的传输速率,降低光生电子与空穴的复合机率;并抑制光活性锐钛矿型TiO₂向弱活性金红石型TiO₂的转变,提高锐钛矿型TiO₂的含量。在甲基橙的催化降解实验研究中,与未修饰的TiO₂纳米管阵列相比,C-TiO₂复合材料呈现出更高的光催化性能,是未修饰TiO₂纳米管阵列的2.18倍。（第8章）。（7）三氧化钨（WO3）掺杂TiO₂纳米管阵列光催化复合材料的制备及对六价铬的催化还原应用研究。用30%H2O2氧化溶解钨粉,制备过氧钨酸溶胶,并加入适量的无水乙醇使钨溶胶带负电。将8μm长的TiO₂纳米管阵列浸入上述溶胶,静置一段时间后取出,有氧条件下550°C煅烧5h,制备WO3/TiO₂复合纳米管阵列。由于WO3的禁带宽度为2.6 eV,能够吸收可见光,拓宽了TiO₂在可见光区的吸收光谱;并且WO3在TiO₂内的掺杂改变了TiO₂的禁带宽度,有利于光生空穴与电子的分离。因此模拟太阳光照射下,用柠檬酸做空穴消耗剂,WO3掺杂的TiO₂纳米管阵列能够快速彻底的光催化还原有毒重金属离子六价铬（Cr6+）。Cr6+在WO3/TiO₂复合纳米管阵列上的光催化还原速率是未修饰TiO₂纳米管阵列的3.76倍（第9章）。（8）超细Cu₂O纳米线修饰TiO₂纳米管阵列制备及对持久性有机污染物4-硝基酚的光催化降解应用研究。首先应用电沉积技术在已晶化TiO₂纳米管阵列顶部,纳米管内部沉积铜单质颗粒;然后在碱性溶液中对Cu/TiO₂电极进行电氧化,得到直径小于5nm的超细Cu₂O纳米线网络结构修饰的TiO₂纳米管阵列复合光催化剂。该催化剂比表面积大,能吸收可见光,且生成的Cu₂O纳米线相互连接形成巨大的网络结构,可有效传输光生载流子,提高光电催化效率,模拟太阳光下能高效催化降解4-硝基酚（第10章）。（9）硒化镉（CdSe）、碲化镉（CdTe）纳米颗粒修饰TiO₂纳米管阵列制备及其光电催化特性、荧光特性在持久性有机污染物光催化降解与传感检测的应用研究。应用恒压电沉积法,在4μm长的TiO₂纳米管阵列的顶部,纳米管的底部、内壁和外壁均匀地沉积粒径主要集中在25³2nm的CdSe纳米颗粒。由于CdSe是窄禁带半导体,CdSe/TiO₂复合纳米管阵列能吸收可见光。在550 nm的长波单色光照射下就能高效催化降解持久性有机污染物蒽的衍生物——9-羧基蒽。应用同样的沉积技术将粒径为10nm的CdTe纳米颗粒致密地沉积在TiO₂纳米管阵列上。利用CdTe的荧光特性,根据能量转移原则,以CdTe/TiO₂纳米管阵列为固体荧光传感器,检测持久性有机污染物苯并芘,线性范围为3.96×10^-73.96×10-12M,并应用于湘江水样中苯并芘的定性定量检测（第11章）。（10）形貌可控的硫化硒（Bi₂Se₃）、硫化铋（Bi₂S₃）纳米材料修饰的TiO₂纳米管阵列复合催化材料的制备及应用。以TiO₂纳米管阵列为基底电极,以二甲基亚砜、乙二醇、N,N-二甲基甲酰胺为有机溶剂及导电介质,以单质硫粉、硫脲为硫源,氧化硒为硒源、氯化铋为铋源,低温下结合脉冲电镀技术,制备不同形貌的Bi₂Se₃、Bi₂S₃晶体。以有机模板分子为表面活性剂制备单晶多孔状,且具有精细二级结构的Bi₂S₃纳米材料修饰的TiO₂纳米管阵列。在模拟太阳光下,该Bi₂S₃/TiO₂纳米管阵列在对难降解有机农药2,4-二氯苯氧乙酸-Cr（VI）复杂体系共解毒处理研究中展现出良好的催化性能（第12章）。