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不同工艺所制备的纳米管结构各有特点，图1.1中即为以上三种不同工艺所制备出来的TiO2纳米管的SEM图像[19]。如图所示，通过水热法制备的纳米管杂乱无章、无规分布，并且管径小；模板合成法所制备的纳米管均匀规则、高度有序地排列，但结构粗糙，不够紧致；而阳极氧化法制备的纳米管管径尺寸统一、均匀致密且规律有序。
(a) 水热法 (b) 模板合成法 (c) 阳极氧化法
图1.1 三种制备方法所制得的TiO2纳米管
1.2.2 阳极氧化机理
阳极氧化法制备TiO2纳米管是一个包含了多种反应的复杂过程。普遍认为TiO2纳米管制备大致经历了三阶段的变化[20]（如图1.2）。
第一阶段是在金属Ti的表面生成致密的TiO2氧化层（如图1.3（a））。最初时，阳极氧化电流大，金属钛片在电解液中快速溶解反应，产生了大量的Ti4+，Ti4+与电解液中的氧离子发生反应生成TiO2，使钛片表面包裹上了一层致密氧化膜。氧化膜的持续产生并加厚导致了电阻迅速地增加，电流-时间曲线上表现为阳极氧化电流急剧降低到最低。
第二阶段是在TiO2氧化层上形成初步的孔洞（如图1.3（b））。F-离子在电解液中受到电场的作用，迁移到了TiO2氧化膜表面上，与之发生反应生成可溶性的(TiF6)2-离子。使得TiO2氧化层溶解变薄并且随机形成分布均匀的孔洞，表现为阳极氧化电流回升到峰值。
第三阶段是氧化层表面均匀分布的孔洞进行生长，进而形成纳米管结构。形成孔洞后，孔洞处的氧化层较薄，因此Ti基体的溶解速度比周围更快，表现为孔洞底部的氧化层不断向Ti基体推进（如图1.3（c））。同时孔洞顶部的氧化层也在不断溶解，但由于底部推进速率远大于氧化层的溶解速率，因此孔洞稳定的生长并形成纳米管结构。孔洞底部钛基体的溶解速率，即TiO2的生成速率较快，但随着反应的进行，孔洞底部生长速度会受TiO2氧化层的增加的影响而减慢，当纳米管底部生长速率减小到与其顶部溶解速率相等的时候，纳米管的生长达到一个平衡，此时阳极电流相对稳定。
1.2 Ti在0.5%的NH4F电解液中20V电压下阳极氧化电流-时间曲线
1.3 TiO2纳米管形成过程
1.2.3 TiO2纳米管的应用
随着TiO2纳米管理论研究和制备工艺的逐渐推进，日趋成熟，TiO2纳米管在各个领域都大显身手。
1) 太阳能电池
染料敏化太阳能电池是当前核心的TiO2纳米管阵列应用指南。虽然TiO2纳米管染料敏化太阳能电池的光电转换率仍然比不上TiO2纳米颗粒染料敏化太阳能电池的水平，但其发展潜力无限，只要继续研究相关技术，进一步改善TiO2纳米管的外形尺寸，就可以有效地提高光电转换率。而且TiO2纳米管规则的结构可以为光生电子传输和电解液传质提供渠道，具有更高的光捕捉效率、电子迁移率等，同时纳米管底部致密氧化膜的存在可有效减小有害的暗电流[21]。
2) 光催化剂
由于管状结构具有更大的比表面积，纳米管表现出了比纳米颗粒更佳的催化活性，可以高效的降解有机污染物[22]。其降解原理是：光照下，紫外光使TiO2的电子从价带迁移进入导带，这样就使电子与空穴分开了，分离后的电子可还原，空穴也具有氧化作用，称此为光生电子空穴，可将大部分有机物氧化还原成CO2、H2O。
3) 光解水制氢
TiO2纳米管具有优良的光俘获性、光催化性和较大比表面积，使用TiO2纳米管阵列作电极可以更高效地分解水，从而制造氢气。研究记录，使用TiO2纳米管阵列光解水的产氢效率可达960ml/h•W[23]。
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