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高比表面积和特殊结构所衍生的突出物理化学特性使TiO2纳米管薄膜在光催化、气敏、光解水和光伏等应用领域具备极大的应用潜力，因此制备性能优异的TiO2纳米管薄膜并发掘其应用潜力正成为一个研究热点。本论文采用原位阳极氧化法在Ti基底上制备了高度有序的TiO2纳米管阵列，并采用反相微乳液电沉积法在TiO2纳米管阵列上沉积金属得到了Au/TiO2、Pd/TiO2、Cu/TiO2和Sn/TiO2复合纳米管。研究了TiO2纳米管的微观结构及其光电化学性能，评价了TiO2纳米管在光电协同作用下的催化性能。SEM图像表明，TiO2纳米管顶部开口，定向排列整齐，分布均匀，其管径范围在70～100nm。XRD结果证明，阳极氧化法制备的TiO2纳米管为无定形，经退火后TiO2纳米管为具有良好光催化活性的锐钛矿型。研究了原位阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列分别在O2、空气、Ar和H2气氛热处理气氛中的光电催化性能。结果表明，分别在O2、空气、Ar和H2中热处理后得到的锐钛矿晶型的纳米管阵列对MB的降解反应满足一级反应，其速率常数分别为4.967，3.127，1.989和1.625h1（0.5V）。电化学阻抗分析表明，TiO2纳米管光电催化性能受控于光生电荷的传递特性。在O2中热处理后，TiO2纳米管的光吸收及激发性能得到改善，且电荷传递阻抗降低，因而其光电催化性能最好。采用反相微乳液电沉积法成功地将金属Au、Pd、Cu和Sn以纳米级原子簇的形式沉积到TiO2纳米管阵列薄膜上。复合薄膜漫反射能谱测试结果显示，沉积金属Au、Pd和Cu的TiO2纳米管阵列薄膜与空白的TiO2纳米管阵列薄膜相比，它们的起始吸收边发生了明显的红移，金属Pd的加入更是将激发波长拓展到可见光的范围，大大提高太阳光的利用率。研究了外加偏压、电解质、溶液初始pH值、光照强度和纳米管光电极表面积等因素对TiO2纳米管阵列薄膜降解亚甲基蓝的光电催化性能的影响。实验结果表明，光电协同催化作用和纳米管结构产生的吸附作用极大促进了TiO2纳米管阵列对有机物的降解效率。以NaCl为电解质，在O2热处理气氛下，外加偏压为0.5V，pH=3.00，光照强度为1000μW/cm2，纳米管薄膜表面积为2cm×2cm，且MB初始浓度为10mg/L的条件下，TiO2纳米管阵列薄膜光电催化降解MB的降解效率可达99.56%。电化学阻抗谱分析显示，光电催化降解过程速控步骤均为表面反应步骤，外加偏压减小了界面电荷转移阻抗，提高了光生载流子的分离效率。