随着经济全球化和工业化的持续发展,环境污染、能源危机等问题日益严重,已经成为人类社会面临的亟待解决的重大问题。由于具有高比表面积、低毒性、廉价和高稳定性等优点,TiO2纳米材料广泛应于光催化降解污染物、光解水产氢和锂电池等领域,有望解决这些问题。但是,TiO2纳米材料也存在一系列缺陷。一方面,TiO2的带隙较宽,只能够吸收紫外光,对太阳光的利用率较低。另一方面,电子和空穴容易复合,光电转化率和光催化活性较低。因此,本论文通过使用碳材料、贵金属颗粒以及其他半导体材料对TiO2纳米管进行修饰改性,极大拓展了TiO2的应用范围。首先,通过简单的电化学沉积和热还原法得到了还原氧化石墨烯/二氧化钛纳米管阵列纳米管复合光催化剂(RGO/TiO2 NTAs)。在碳化的过程中,氧化石墨烯转变为还原氧化石墨烯,同时二氧化钛纳米管阵列从非晶态转变为锐钛矿或者金红石结构。修饰RGO后,由于导电性增加、光吸收率的增强以及电子空穴对的分离效率提高,RGO/TiO2 NTAs纳米复合光催化剂展现出优异的光催化性能,是未经修饰的TiO2纳米管的2.9倍。其次,通过超声辅助离子吸附反应技术将氧化铋量子点均匀地负载在TiO2纳米管的表面和内部。修饰氧化铋颗粒后,形成了p-n偏结,有效地抑制了电子和空穴对的复合。相比于未修饰的二氧化钛纳米管阵列,Bi2O3@TiO2 NTAs复合催化剂的光催化活性提高了近1倍。最后,通过超声辅助原位还原法将银纳米颗粒均匀地沉积到TiO2纳米管的表面和内部。在超声辅助下,能够避免Ag纳米颗粒的团聚,并且通过调节沉积时间和Ag NO3的反应浓度,能有效控制Ag纳米颗粒的粒径大小。修饰Ag颗粒后,由于导电性增加、可见光吸收率的增强以及电子/空穴对的分离效率提高,银/二氧化钛纳米管复合光催化剂(Ag@TiO2 NTAs)在可见光下显示出优异的光催化产氢活性,达到了30μmol cm-2h-1,并且具有优异的循环性能。除了在光催化领域的应用外,TiO2在储能领域也发挥着重要的作用。本文通过简单的方法成功制备了大容量、长寿命碳@硅/二氧化钛纳米管复合电极(C@Si/TiO2),并系统地研究了其电化学性能研究。一方面,TiO2纳米管的三维网状孔洞为硅球提供自由膨胀的空间。另一方面,TiO2纳米管提供电子/离子高速传递的路径,有利于稳定固体电解质界面膜(SEI)。与单纯的Si电极和C@Si复合电极相比,C@Si/TiO2纳米复合电极的容量超过了1000 m Ah g-1,并且显示出优异的倍率性能和循环稳定性。组装全电池后进行测试,该电池仍能保持优异的倍率性能和循环寿命,能量密度高达368 Wh kg-1。本文通过不同的方法对TiO2进行修饰改性,明显改善了TiO2基纳米复合物的性能,尤其是光催化和光电转换性能。此外,利用TiO2三维网状结构建了高能量密度的C@Si/TiO2纳米复合电极,这种策略可以应用到其他导电性差、容易形成不稳定的SEI膜的大容量电极材料(锗、锡、磷等),具有潜在的实际应用价值。本论文中新型TiO2基纳米复合材料的设计和制备具有创新性,获得的结果对于解决纺织印染领域的染料污染问题和构建可穿戴能源器件具有重要的实践和指导意义。