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TiO2在紫外光照射下能够将绝大多数有机污染物降解为无机物，因此在治理环境污染方面有很大的应用前景。众所周知，纳米管的结构与其性能密切相关，因此如何获得比表面积大、管径均匀及连续性较好的TiO2一维纳米结构成为当今研究的热点。近几年的研究过程中发现二氧化钛主要在紫外光下响应，并且光生空穴-电子对极易复合，极大限制了纳米TiO2在环境处理过程中的应用。
本论文采用阳极氧化铝模板为载体，利用原位液相沉积法制备TiO2纳米管薄膜。通过控制实验条件及参数，如阳极氧化溶液组分、外加电压、反应时间等制备出形貌可控、光催化性能优异的TiO2纳米阵列薄膜。在液相沉积过程中对薄膜进行掺杂改性，加入Si、N、Ag等元素，研究薄膜的光催化性能，运用第-性原理对掺杂后的锐钛矿能带结构进行了分析讨论。将纯铝基底上制备TiO2纳米管薄膜的工艺应用于铝合金，研究纳米管阵列在铝合金自清洁方面的各种应用。主要研究内容及成果如下：
分别在五种电解质溶液中制备了孔径大小变化的阳极氧化铝AAO模板。所得到AAO模板中纳米管外径从大到小按所用的介质排列：磷酸＞草酸/磷酸混酸〉草酸〉硫酸/磷酸混酸=硫酸。其中，使用磷酸氧化得到的AAO模板孔径最大，外径约为250nm左右，内径约为150nm左右，硫酸氧化得到的AAO模板孔径最小，外径约为50nm左右，内径为20nm左右。计算出不同孔径的模板在液相沉积过程中形成纳米管或纳米棒形貌的条件：AAO模板中Al2O3的体积与AAO模板的体积之比等于0.71时，液相沉积后的TiO2体积刚好充满整个模板。当体积比小于0.71时，生成纳米管阵列结构，当体积比大于0.71时，生成纳米棒阵列结构。实验中在H2SO4、H2C2O4电解质溶液阳极氧化所得AAO模板的体积比分别为0.81与0.92，因此其形貌为直径50nm左右与100nm左右的纳米棒。H3PO4、H2C2O4与H3PO4、H2SO4与H3PO4电解质溶液阳极氧化所得的AAO模板体积比分别为0.56、0.70和0.23，所以形貌分别为孔径约200nm壁厚约20nm，孔径约200nm壁厚约50nm，孔径约50nm壁厚约5nm的纳米管。
液相沉积过程中加入1:1比率的(NH)4TiF6与(NH)4SiF6的混合溶液可以制备出TiO2和SiO2的复合纳米管阵列，孔径和壁厚分别为50nm以及80～100nm。SiO2复合TiO2纳米管阵列薄膜中形成了Ti-O-Si键，其表面羟基数量增加，具有较优异的光催化性能，在紫外光光照下，经过4h光照后，纯TiO2纳米阵列对l00mg/L甲基蓝的降解速率的降解速率为60％，而复合薄膜的降解速率能达到82％，为纯TiO2纳米阵列薄膜降解速率的1.4倍。运用第一性原理，采用密度泛函理论方法计算研究了SiO2复合的TiO2，结果表明：SiO2复合使得导带变宽，因此在紫外光照射下，更宽的导带给吸收能量跃迁到导带的电子提供更多的存在能态，降低了电子返回价带与价带中的空穴复合的几率，从而提高了光催化效率。
液相沉积过程中加入9:1比率的(NH)4TiF6与H2NCONH2的混合溶液可以制备出N掺杂TiO2纳米管阵列。N掺杂后的TiO2纳米管阵列薄膜具有较优异的光催化性能。在紫外光光照下，N掺杂的TiO2纳米阵列在紫外光下对甲基蓝的降解速率能达到78％，为纯TiO2纳米阵列薄膜降解速率的1.3倍。在可见光波长光照下，N掺杂的TiO2纳米阵列甲基蓝的降解速率为41％，而未经N掺杂的TiO2纳米阵列的降解速率仅为15％。运用第一性原理的密度泛函理论对N掺杂锐钛矿型TiO2的电子结构进行了研究，结果发现，在N掺杂后锐钛矿型TiO2的带隙变窄，其吸收光的波长达到425nm，发生明显红移。
通过将所制备的TiO2纳米管薄膜置于AgNO3溶液中浸泡并光照的方法制备了Ag掺杂TiO2纳米管。扫描电镜照片显示Ag粒子分散均匀，粒径为50～100nm左右。Ag掺杂后的TiO2纳米管阵列薄膜具有较优异的光催化性能，在紫外光光照下，Ag掺杂的TiO2纳米阵列在紫外光下的降解速率能达到78％。Ag和TiO2纳米管有强烈的相互作用，在光的激发下，TiO2价带上的电子被激发到导带上，导带上的电子通过Ag粒子而转移，减少了导带电子回到价带与空穴复合的几率。
铝合金的自清洁性能主要由两个因素表征：薄膜表面的亲水性以及其光催化性能。纯铝基底TiO2纳米薄膜接触角为33°，然而在铝合金基片液相沉积之后的TiO2薄膜的接触角实验中，其角度锐减到5°左右，呈现出超亲水性能。在紫外光波长照射下进行甲基蓝降解实验，结果表明铝合金基底沉积的TiO2纳米阵列薄膜的甲基蓝降解速率能达到60％左右。