Titanium dioxide (TiO2) has been the benchmark semiconductor on photocatalytic application for more than 40 years. It is chemically stable, environmentally friendly, earth abundant, and its electronic properties are suitable for functional applications in the field of photocatalysis. However, TiO2 has two inherent weaknesses. Firstly, its large bandgap of 3.0–3.2 eV allows only absorption of UV light, which is about 7% of solar spectrum. To enhance visible-light absorption, extensive studies have been performed to narrow the TiO2 optical bandgap. Conventional band-gap engineering approaches have been based on the introduction of doping elements (such as N, C, Cr, or W) with suitable energy states to the TiO2 band-gap. Secondly, the charge transfer process across the anatase/water interface is a major obstacle. Although this reaction is thermodynamically feasible, it is kinetically extremely slow. Therefore, sacrificial agents (such as methanol or ethanol) are used to capture the photogenerated holes to enable reasonable photocatalytic H2 generation efficiencies. On the other hand and in terms of electron extraction, the common approach is to use noble metal co-catalyts, such as Pt, Pd, or Rh; these noble metals act as electron sinks and thus facilitate the electron-transfer across the interface. In recent work, it was reported that reduced TiO2 could generate H2 from a water alcohol mixture under open circuit conditions. Such a reduced TiO2 structure can be obtained by exposing the TiO2 nanotubes or nanopowders at elevated temperatures to H2 containing environment such as Ar/H2 or pure H2. These reduction treatments lead to a remarkable activation of TiO2 that was attributed to the formation of intrinsic co-catalytic centers in a defective TiO2 structure. In this thesis, we systematically investigate the effect of different defects in the TiO2-x lattice on photocatalytic H2 evolution. To introduce different types of defects, thermal annealing in air (oxidative), Ar (inert), Ar/H2 (reducing), and H2 (reducing) atmospheres were performed on commercially available anatase nanopowders. The powders were characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) to clarify the effect of the treatments on material properties. Furthermore, the defect types were characterized by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. We show that thermal annealing in different atmospheres can form different amounts of different defect types in the TiO2 structure. By combining the results from H2 generation and EPR analysis we show that the simultaneous presence of two types of defects, i.e. surface exposed Ti3+ and lattice embedded Ti3+ centers, in an optimum low concentration, is the determining factor for an optimized photocatalytic H2 evolution rate. Additionally, the reduced TiO2 nanotubes were used as a photoanode for photo-electrochemical application. The reduced tubes show significant enhancement in photoelectrochemical water splitting performance. We show that in contrast to other reports such enhancement is mainly ascribed to the improved conductivity of TiO2, and is not due to the enhanced visible light absorbance. Then we applied the optimized reduction treatment on TiO2 nanotubes intrinsically doped with copper, and explored their potential as photoanodes for methanol oxidation in a photoelectrochemical hydrogen generation setting. This reduction treatment produced conductive copper doped TiO2 nanotubes with an approximately 103 times higher conductivity than the non-reduced material. When these reduced Cu doped TiO2 nanotubes are used as photoanodes, copper species embedded in the TiO2 wall catalyze methanol oxidation. As a result of the combined effect of conductivity and catalytic effect of Cu, such reduced TiCu nanotubes show an enhanced photoelectrochemical performance compared to the non-reduced structures. Alternatively, we show that by optimizing such reduction treatment conditions on TiO2 nanotube arrays a conductive scaffold can be established. Upon this optimized reduction treatment buried Ti3+ states are formed, with a higher concentration in the inner shell of the nanotube. When this structure is decorated with RuO2, it provides a stable and conductive electrode which can be used in supercapacitor application. To fully characterize such tubular structures in depth, especially when they are doped with the secondary elements and tube length is in the range of several tens of µm, conventional characterization techniques such as X-ray photo electron spectroscopy (XPS) or time of flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) are either not possible or extremely time consuming. Thus, we introduced an optimized condition for glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES) technique to gain a reliable depth profile of the tubular structure as well as to achieve a “gentle” sectioning of the tubes. In the last section, we report on reduced TiO2 nanotube arrays with a strongly enhanced electrical conductivity and explore their interaction with mesenchymal stem cells when used as electrodes to apply electric fields (EF) across the cells. We show that while there is no significant change in cell adhesion on these high conductivity nanotubes, a rapid stem cell response when EF is engaged was observed. We prove that the increased conductivity in TiO2 nanotubes significantly enhances the early stem cell response to minimal electric field stimuli. Overall, reduced TiO2 nanostructures with optimized defect types and density appear to be an effective and suitable candidate for applications in various fields such as solar water splitting for H2 generation, supercapacitors and biomedical applications. Titandioxid (TiO2) ist seit über 40 Jahren der Maßstab für photokatalytische Halbleiteranwendungen. Es ist chemisch stabil, umweltfreundlich, in der Erdkruste reichlich vorhanden und seine elektronischen Eigenschaften eignen sich für funktionelle Anwendungen im Bereich der Photokatalyse. TiO2 weist jedoch zwei inhärente Schwächen auf. Erstens erlaubt seine große Bandlücke von 3.0–3.2 eV nur die Absorption von UV-Licht, welches etwa 7% des Sonnenspektrums ausmacht. Zur Verbesserung der Absorption von sichtbarem Licht wurden umfangreiche Studien durchgeführt, um die optische Bandlücke von TiO2 zu verringern. Herkömmliche Ansätze zur Modifikation der Bandlücke basierten auf der Einführung von Dotierungselementen (wie N, C, Cr oder W) mit geeigneten Energiezuständen für die TiO2 Bandlücke. Zweitens ist der Ladungsübertragungsprozess über die Anatas/Wasser-Grenzfläche ein Haupthindernis. Obwohl diese Reaktion thermodynamisch möglich ist, läuft sie kinetisch betrachtet extrem langsam ab. Daher werden Opfermittel (zum Beispiel Methanol oder Ethanol) zum Einfangen photogenerierter Löcher verwendet, um annehmbare photokatalytische H2-Effizienzen zu erhalten. Andererseits und im Hinblick auf die Elektronenextraktion besteht der übliche Ansatz darin, Edelmetall-Co-Katalysatoren wie Pt, Pd oder Rh zu verwenden. Diese Edelmetalle wirken als Elektronensenken und erleichtern so den Elektronentransfer über die Grenzfläche. In jüngster Zeit wurde berichtet, dass reduziertes TiO2 unter stromlosen Bedingungen H2 aus einem Wasser-Alkohol-Gemisch erzeugen kann. Solch eine reduzierte TiO2 Struktur kann erhalten werden, indem TiO2-Nanoröhren oder -pulver bei erhöhter Temperatur einer H2 haltigen Umgebung wie Ar/H2 oder reinem H2 ausgesetzt werden. Solche Reduktionsbehandlungen führen zu einer bemerkenswerten Aktivierung von TiO2, die auf die Bildung von intrinsischen co-katalytischen Zentren in einer defektiven TiO2-Kristallstruktur zurückgeführt wurde. In dieser Arbeit untersuchen wir systematisch den Einfluss verschiedener Defekte im TiO2-x Gitter auf die photokatalytische H2-Entwicklung. Um verschiedene Arten von Defekten einzuführen, wurde ein thermisches Tempern in Luft (oxidativ), Ar (inert), Ar/H2 (reduzierend) und H2 (reduzierend) mit kommerziell erhältlichen Anatas-Nanopulvern durchgeführt. Die Pulver wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Röntgenbeugung (XRD) und hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) charakterisiert, um den Effekt der Behandlung auf die Materialeigenschaften zu klären. Darüber hinaus wurden die Defekttypen durch elektronenparamagnetische Resonanzspektroskopie (EPR) charakterisiert. Wir zeigen, dass beim thermischen Tempern in verschiedenen Atmosphären unterschiedliche Mengen unterschiedlicher Arten von Defekten in der TiO2 Struktur entstehen können. Durch Kombination der Ergebnisse aus der H2-Erzeugung und der EPR-Analyse zeigen wir, dass das gleichzeitige Vorhandensein von zweierlei Arten von Defekten, oberflächenexponiertes Ti3+ sowie im Kristallgitter eingebettete Ti3+ Zentren, in einer optimalen, niedrigen Konzentration der entscheidende Faktor für eine optimierte photokatalytische H2 Entwicklungsrate ist. Darüber hinaus wurden reduzierte TiO2-Nanoröhren als Photoanode für photoelektrochemische Anwendungen verwendet. Die reduzierten Nanoröhren zeigen eine signifikante Verbesserung der photoelektrochemischen Wasserspaltungsleistung. Im Gegensatz zu anderen Berichten zeigen wir, dass diese Verbesserung hauptsächlich auf die gesteigerte Leitfähigkeit von TiO2 zurückzuführen ist und nicht auf die erhöhte Absorption sichtbaren Lichts. Anschließend haben wir die optimierte Reduktionsbehandlung auf mit Kupfer intrinsisch dotierten TiO2-Nanoröhren angewendet und deren Potenzial als Photoanoden für die Methanoloxidation bei der photoelektrochemischen Wasserstofferzeugung untersucht. Die Reduktionsbehandlung erzeugte leitfähige, kupferdotierte TiO2-Nanoröhren mit einer ungefähr 103-fach höheren Leitfähigkeit als das nicht reduzierte Material. Werden diese reduzierten Cu-dotierten TiO2-Nanoröhren als Photoanoden verwendet, katalysieren in der TiO2-Wand eingebetteten Kupferspezies die Methanoloxidation. Infolge des kombinierten Einflusses auf die Leitfähigkeit und die katalytischen Wirkung von Cu zeigen diese reduzierten TiCu-Nanoröhren ein verbessertes photoelektrochemisches Verhalten im Vergleich zu nicht reduzierten Strukturen. Alternativ zeigen wir, dass durch die Optimierung der Bedingungen der Reduktionsbehandlung von TiO2-Nanoröhren-Strukturen ein leitfähiges Gerüst aufgebaut werden kann. Bei dieser optimierten Reduktionsbehandlung bilden sich vergrabene Ti3+ Zustände, mit einer höheren Konzentration in der inneren Hülle der Nanoröhre. Wenn diese Struktur mit RuO2 dekoriert wird, bildet sie eine stabile und leitfähige Elektrode, die als Superkondensator angewendet werden kann. Um solche röhrenförmigen Strukturen jedoch vollständig in der Tiefe zu charakterisieren, insbesondere wenn sie mit Sekundärelementen dotiert sind und die Röhrenlänge im Bereich von mehreren Dutzend m liegt, ist die Anwendung herkömmlicher Charakterisierungstechniken wie Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) oder Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) entweder nicht möglich oder sehr zeitaufwändig. Daher haben wir ein optimiertes Protokoll für die Glimmentladungsspektroskopie (GDOES) eingeführt, um ein zuverlässiges Tiefenprofil der röhrenförmigen Struktur zu erhalten und ein „sanftes“ Schneiden der Röhren zu erreichen. Im letzten Abschnitt berichten wir über reduzierte TiO2-Nanoröhren-Strukturen mit stark erhöhter elektrischer Leitfähigkeit und untersuchen ihre Wechselwirkung mit mesenchymalen Stammzellen, wenn sie als Elektroden zum Anlegen elektrischer Felder (EF) über die Zellen verwendet werden. Wir zeigen, dass zwar keine signifikante Änderung der Zelladhäsion an diesen Nanoröhrchen mit hoher Leitfähigkeit auftritt, jedoch eine schnelle Reaktion der Stammzellen bei anliegendem EF beobachtet wurde. Wir belegen, dass die erhöhte Leitfähigkeit der TiO2-Nanoröhren die frühe Reaktion der Stammzellen auf minimale Stimuli durch ein elektrisches Feld signifikant erhöht. Insgesamt scheinen reduzierte TiO2-Nanostrukturen mit optimierten Defekttypen und -dichten ein effektiver und geeigneter Kandidat für Anwendungen in verschiedenen Bereichen zu sein, wie zum Beispiel der solaren Wasserspaltung für die H2-Gewinnung, Superkondensatoren und biomedizinische Anwendungen.