二氧化钛（TiO₂）由于其独特的物理和化学性质，使之成为了太阳能电池，光子晶体，光催化，气体传感器，电致变色和自清洁材料等领域广泛研究的材料之一。光生载流子的分离效率较低和对太阳光的利用率较低是阻碍该材料发展的一个重要因素。迄今为止，有许多方法和策略用于提高TiO₂的光电化学性能，如复合其他半导体，敏化染料，负载金属和碳纳米粒子等，或采用过渡金属（如金，钯，铂，铑等），非金属元素（如氮，硫，碘，氟等）进行掺杂。然而，通过这些方法会引入一些新的问题：如表面性质不稳定，或材料不便于进一步的修饰和功能化。为了解决这一问题，我们提出了两种新的途径：一是通过TiO₂材料自身结构变化，而不是修饰和掺杂其他异质性物种；二是构筑新型的纳米调控体系，以达到控制TiO₂光电化学性质的目的。鉴于以上几点，本论文工作制备出小尺寸纳米环修饰TiO₂纳米管的复合纳米结构和碳量子点（CQDs）修饰的TiO₂纳米管复合纳米结构，并对其性质进行了表征。此外，我们还以阳极氧化法制备的TiO₂纳米管为前驱体利用水热法制备出SrTiO₃纳米薄膜，并用CQDs对其修饰，研究其光电化学和光电催化性质。本论文围绕以上内容，主要开展了以下几个方面的工作:（1）通过一个简单的两步阳极氧化法构筑二氧化钛纳米环/管复合结构。对所制备的样品进行了X射线衍射，扫描电子显微镜，光致发光光谱和紫外-可见吸收光谱，拉曼光谱，光电化学等性质的表征。光电化学性质测量表明：该复合结构具有高的光-电转换效率，快速的电子传输速度，和受表面调控的光电响应等特点。通过对复合结构和纯纳米管的电化学阻抗谱和光电转换效率的研究进一步表明，异质环/管复合结构的形成对光生电荷的动力学行为（包括电荷分离效率和输运能力）起着重要的作用。TiO₂纳米环/管复合结构大大提高了电荷分离效率和光电转化能力。相关工作已发表于Journal of Physical Chemistry C。（2）我们采用浸渍沉积法，首次将CQDs颗粒成功地负载到TiO₂纳米管（TNTs）的内外壁表面，有效地提高了TiO₂纳米管的吸光范围和光电转换效果。通过构筑TiO₂和CQDs的界面，借助偏压调控二者之间能量/电荷转移的过程实现了对光电转换状态的有效调控。由于碳量子点具有上转换荧光特性和电子给体/受体的性能，在CQDs/TNTs体系中可实现多种能量/电子转移的状态，实现了多态调控的逻辑行为。相关工作已发表于Nanoscale。（3）以TiO₂纳米管阵列为前驱体，采用水热法合成了SrTiO₃薄膜材料。结合电沉积法将CQDs对SrTiO₃薄膜进行修饰，研究其光电性质。CQDs/SrTiO₃作为光阳极，能够将近红外光子能量转换为光电流，同时实现CQDs和SrTiO₃异质结构之间的电子/空穴高效分离。相关工作已发表于New Journal of Chemistry。综上所述，本研究所制备的TiO₂纳米环/管复合结构阵列电极、偏压处理调控下的CQDs修饰的TiO₂纳米管阵列电极、CQDs修饰的SrTiO₃纳米薄膜阵列电极，不仅扩展了TiO₂纳米管阵列电极的光响应范围和应用能力，而且还提高了光生电子-空穴对的分离效率，从而提高其光电催化能力，有助于推动光催化技术向实用化进一步发展。