电化学阳极氧化法制备的有序TiO₂纳米管阵列(TiO₂ nanotube arrays,TNTAs)在光解水制氢、锂离子电池及超级电容器等新能源材料领域有着广阔的应用前景,氢化改性能够显著提升其光电化学和电化学性能。本文首先采用电化学阳极氧化法制备了大比表面、管与管相互分离的TNTAs;进而采用电化学氢化法对晶化退火的TNTAs进行氢化改性,提升目标H-TNTAs的光电化学分解水制氢和电化学储锂性能;系统研究了晶化温度与TiO₂相结构与组成、目标H-TNTAs光电化学分解水制氢和电化学储锂性能的规律关系,探究TiO₂相结构对H-TNTAs的光电化学分解水制氢和电化学储锂性能影响的深层次内部机理。本文主要研究结果如下:(1)电化学氢化改性能够有效提升H-TNTAs的光电化学和电化学性能,通过性能对比,确定电解液为0.1 M Na₂SO₄时,氢化电压4 V、氢化时间20 min作为优选的氢化工艺参数。(2)通过调节晶化温度调控TNTAs的相结构和组成,进而调变氢化改性后H-TNTAs电极材料的光电化学分解水制氢性能。系统表征和性能测试结果表明:晶化温度从300℃不断升至700℃时,非晶TiO₂逐渐晶化为锐钛矿相,600℃时发生锐钛矿向晶红石相转变,700℃时管状结构破坏;氢化改性能够显著提升H-TNTAs的光电化学性能,但是不同晶化温度的H-TNTAs光电化学性能提升幅度不一:氢化前,400℃晶化获得的单一锐钛矿相、结晶良好的TNTAs-400表现出最佳的光电化学性能;氢化后,600℃晶化获得的锐钛矿-金红石混合相H-TNTAs-600光阳极表现出最优的光电化学性能,模拟太阳光照下,H-TNTAs-600光转换效率达到最高(1.52%),产氢速率为40.4μmol h^-1 cm^-2。主要是由于混合相结构与氢化过程引入的Ti³⁺(氧空位)之间协同作用,不仅显著提高了H-TNTAs在可见和紫外光范围内的光电化学活性,同时也大大提高了其电荷分离和转移效率,从而大幅提升了H-TNTAs-600的光电转化效率。(3)通过调节晶化温度调控TNTAs的相结构和组成,进而调变氢化改性后H-TNTAs电极材料作为锂电负极材料时的电化学储锂性能。综合表征与性能测试结果表明:氢化前,随着晶化温度的不断升高,TNTAs电极的比容量不断降低;氢化改性后,H-TNTAs的比容量和倍率特性均有提升。但是不同晶化温度的H-TNTAs比容量和倍率特性提升幅度不一,主要是由于氢化时引入的Ti³⁺在不同晶体结构TiO₂中浓度和稳定性不同。其中晶化温度为500℃时,单一锐钛矿相、结晶良好的H-TNTAs-500比容量和倍率特性提升最为显著。