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近年来，在金属的腐蚀与防护方面，TiO2可用作非牺牲性光生阴极保护材料，而TiO2纳米管由于其特殊结构引起的优越的光电运输性能而成为材料科学的一个前沿领域并引起极大的关注。TiO2纳米管阵列具有较高的长径比、较大的比表面积，从而提高了对光的利用率；其规则的孔道结构，缩短了光生载流子的传输路径，从而提高光电性能。因此，对TiO2纳米管阵列薄膜材料及其光生阴极保护作用的研究具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
本论文采用阳极氧化法直接在金属Ti基体上制备TiO2薄膜，该方法设备简单、易操作、成本较低，适于工业化应用。通过控制实验条件及参数，如溶液组分、外加电压、反应时间等制备出形貌可控、光电性能优异的TiO2纳米阵列薄膜。分别采用三种溶剂：水溶液、乙二醇及乙二醇/DMSO混合溶液。利用SEM、XRD、UV-vis等方法系统研究TiO2薄膜的形貌、组成及光响应特性等。采用IM6ex电化学工作站研究TiO2薄膜的光电化学行为，以及其对以304不锈钢为代表的金属材料的光生阴极保护作用，研究单位面积TiO2薄膜对不同面积304不锈钢的保护程度(P％)，探究TiO2薄膜的光生阴极保护的作用机理。另外，对TiO2纳米管的生长理进行探讨，并通过耗散结构理论解释TiO2纳米管特殊形貌的形成机制。主要研究内容及成果如下：
阳极氧化溶液为室温下的NH4HF2+NH4H2PO4水溶液，通过三因素五水平正交试验研究TiO2薄膜的形貌与NH4HF2和NH4H2PO4的含量以及外加电压的关系，得出优化条件参数：NH4HF2浓度为1.0wt％、NH4H2PO4浓度为1.0mol.L-1、外加电压20V；500℃热处理后，纳米管从非晶转变为锐钛矿晶型。在模拟太阳光照射下，TiO2纳米阵列薄膜在模拟海水(3.5wt％NaCl水溶液)中的电极电位最大负移值△V为0.29V。
在含有NH4HF2(0.1wt％)的乙二醇非水溶液中，外加电压最低为6V有TiO2纳米管生成；当电压为10V～50V时，管长、管径均随电压升高而增加，管长为0.8μm～6μn，管径为30nm～100nm。30V电压下制备的薄膜具有良好的形貌及光电化学性能。TiO2薄膜在光照和暗态中电位负移幅度0.45V，优于水溶液中制备的薄膜；TiO2薄膜与304不锈钢面积比为1:36时，保护程度可达100％，说明TiO2纳米阵列薄膜具有良好的光生阴极保护作用。
在含有NH4HF2(0.1wt％)的乙二醇/DMSO非水电解液中，二者体积比为4:6，外加电压40V条件下制备的TiO2薄膜具有良好的纳米管阵列形貌、较大的比表面积及优越的光电性能，与304不锈钢以面积比1:72进行耦合，保护程度达99.999％，光生电位负移值(0.2991V)大于同条件下乙二醇溶液制备的TiO2薄膜产生的作用(0.245V)。
通过研究不同生长阶段TiO2薄膜的形貌结构，对其形成机理进行研究，认为TiO2纳米管阵列的排布随阳极氧化时间的延长和外加电场强度的增加而趋于规则有序，形成六边形紧密排列；其中外加电场起控制作用。
通过耗散结构理论布鲁塞尔器(Brusselator)模型对阳极氧化钛纳米管的“竹节状”结构形成机制进行解释，认为在外加电场作用下，Ti4+、TiO2浓度的交替循环变化而形成纳米管“节部突起”和“竹节”交替的形貌。