随着我国经济的高速发展，环境污染、能源短缺、人民生理健康问题日趋严重。本论文以有机污染物的快速筛查及去除为目标，以提高二氧化钛纳米管阵列的光/电催化活性为研究重点，开展了二氧化钛基复合纳米功能材料应用于生物传感和有机污染物去除领域的基础研究。在众多半导体纳米材料中，二氧化钛(TiO2)由于耐腐蚀、环境友好、生物相容、光催化活性高且易于制备、价格低廉等优点，在诸多应用领域吸引了持续的关注，比如太阳能电池/光电化学池，光催化降解污染物、生物传感及药物传输等。然而，TiO2具有较大的能隙（金红石3.0 eV，锐钛矿3.2 eV），只能吸收紫外区的光，这一特性限制了其在光电催化领域的应用。另外TiO2半导体材料导电率低，不能有效传递光生载流子，使得光生电子容易与光生空穴复合，降低了其光电转化效率。因此，上述应用研究不但要利用TiO2的自身特性更多地还要考虑多种功能化修饰及其与应用环境的相互作用，主要原因是其自身带隙较大只能吸收紫外区的太阳光谱，而且单一的TiO2纳米材料也不能够满足广泛的实际需求。也正是这些原因，本文选取纳米TiO2为基础材料进行改性及应用。在具体研究中秉持两个研究思路:立足TiO2纳米材料特性进行相应应用研究;以实际应用为目标通过对TiO2纳米材料的改性而提升其应用性能。简单的说就是分别围绕基础材料和实际应用目标并通过恰当的实验设计开展研究工作。　　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，易工业化等。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。面阳极氧化法制备的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。该方法所得TiO2纳米管阵列具有表面形貌均一、孔径长度可调、高度取向、以及独特的电学、光学特性，自2001年被首次阳极氧化法制备以来，引起极大的研究兴趣。已有研究表明TiO2纳米管阵列材料在光催化及传感领域具有广泛的应用前景。在众多的TiO2纳米材料中，用阳极氧化法制备得到的纳米管具有明显的优势，如高度有序、独特的表面形貌、可以调控的孔径、管长，并且廉价。因此，本论文的研究中，阳极氧化法为主要技术手段。　　解决了制备问题之后，提高TiO2对可见光的吸收就是目前研究的重点。通过对TiO2纳米管阵列进行修饰或掺杂以拓展其对可见光谱的响应范围，提高其光电性能。贵金属Au、Pt的工作函比TiO2半导体的工作函高，光生电子从TiO2迁移到邻近金属纳米颗粒上，导致在每个金属纳米颗粒与TiO2纳米管接触面区域形成肖特基势垒。肖特基势垒起到了有效的“电子陷阱”作用，避免了光生电子与空穴的复合，从而提高电极材料的光电催化活性。同时贵金属材料优良的导电性能有利于电子传导。因此，贵金属修饰是本文首先选用的技术。另外，从能带匹配原则出发，选择适当的窄带半导体材料与TiO2纳米管阵列组成复合材料。当所选窄带半导体材料的导带更负于TiO2导带时，光生电子较易从窄带半导体的导带转移至TiO2导带，同时光生空穴在窄带半导体的价带处聚集，形成空穴中心进一步增强氧化作用。因此，修饰窄带半导体材料不仅可以提高复合材料对可见光的吸收还可以促进光生载流子的分离，从而提高复合材料的光电性能。　　本论文以提高TiO2纳米管阵列的光电效率为目标，选取合适的窄带半导体材料如CdS、ZnSe、CdSe和贵金属如Au和Pt来修饰TiO2纳米管阵列，以期待拓展TiO2纳米管的吸收光谱，减少光生电子/空穴对的复合几率，提高其光电转换效率，并应用于有机污染物的检测和去除。具体开展的工作如下:　　(1)TiO2纳米材料的制备:以钛片为基底，分别通过阳极氧化和水热法制备了分布均匀排列有序的一维TiO2纳米管和纳米线阵列（第2章），采用扫描/透射电子显微镜，电子能谱等表征了TiO2纳米管和纳米线的各项性质，并研究了其光电性能。　　(2)二氧化钛纳米管阵列改性以及光电免疫传感器构建:采用浸式沉积技术，连续离子层吸附和反应(SILAR)技术和电沉积技术，成功在TiO2纳米管阵列表面分别修饰上了Pt纳米粒子，CdS量子点和CdSe纳米粒子（第3章），表征了CdSe/CdS/Pt/TiO2纳米管阵列光电极的形态结构，研究了其光电特性。结果表明，Pt纳米粒子，CdS量子点和CdSe的负载能显著提高二氧化钛的电荷转移速率和降低光生电子与空穴的复合几率，从而获得灵敏度高、稳定性好的光电材料。然后，以CdSe/CdS/Pt/TiO2纳米管阵列为光电极，通过交联抗八氯苯乙烯(OCS)抗体，制备了测定八氯苯乙烯的免标记光电免疫传感器。该光电免疫传感器性能稳定，灵敏，选择性高。对OCS的检出限为2.08pM，线性范围为0.1pM至10μM。同时还开展了实际污水中八氯苯乙烯含量的测定。　　(3)CdS/ZnSe/TiO2光电极构建及光电特性研究（第4章）:采用电沉积和连续离子层吸附技术将窄禁带的半导体ZnSe和CdS修饰到TiO2纳米管阵列上，获得了具有阶梯能带结构的复合半导体材料，研究了CdS/ZnSe/TiO2光电极的特性及光电化学性质。由于半导体之间的费米能级的差异，CdS的电子注入到TiO2的导带后，转移到ZnSe的导带，构成了一个阶梯能带结构的CdS/ZnSe/TiO2复合材料。光生电子-空穴被有效地分离。吸收光谱被拓展到了可见光区域，在AM1.5，强度为100 Mw/cm2的光照下，偏压-0.813 V，以Ag/AgCl电极为参比电极，得到了5.29％光转换效率。在对甲基橙的光催化降解测试中显示出了高稳定性和优良的光催化活性。　　(4)贵金属Au和半导体CdS修饰的TiO2纳米管阵列:掺杂在半导体材料中的金属粒子可作为电子陷阱储存并传递电子，有利于光生电子-空穴的分离从而获得高的光电转换效率。我们将金纳米颗粒修饰到TiO2纳米管阵列上，与覆盖在Au/TiO2表面的CdS量子点形成CdS/Au/TiO2异质结结构（第5章）。CdS量子点和Au纳米颗粒共同修饰的TiO2纳米管光电极，能够使电子-空穴对有效分离、能带带隙发生红移，扩宽了其在可见光区的光吸收。光电化学结果表明，在1.5AM光照下，以Ag/AgCl为参比电极，CdS/Au/TiO2纳米管光电极在-0.768V处有最大光电转换效率(4.06％)，最大电流密度为7.05 mA/cm2。同时，CdS/Au/TiO2纳米管阵列在1.5AM光照下对2，4-二氯苯氧乙酸的光催化降解表现出高的光催化性能。　　通过以上对基于TiO2纳米管阵列复合纳米材料的设计、开发与应用研究，发展了基于半导体材料光电效应的传感分析技术，所制新颖的无标记光电化学免疫传感器开创了半导体材料在光电分析领域的应用;探索了多元异质复合纳米材料对环境有机污染物的光电催化消除作用，为实现对环境污染物的锁定和去除提供了新的思路。