本发明公开了一种二氧化钛薄膜及其制备方法和应用，所述二氧化钛薄膜是由二氧化钛纳米管阵列组成，所述二氧化钛纳米管阵列顶部分布着由四周纳米管向中心汇聚所形成的倒圆锥形或类倒圆锥形开口。本发明二氧化钛薄膜中的纳米管阵列顶部分布着由四周纳米管向中心汇聚所形成的倒圆锥形或类圆锥形的开口，纳米管阵列底部规整，纳米管管腔光滑，基本无纳米线的存在。二氧化钛薄膜作为透析膜材料时，其对小分子毒素清除率高。本发明中的二氧化钛薄膜的制备方法简单，二氧化钛薄膜自然从钛片上剥离，无需外力剥离且剥离耗时短，剥离的薄膜比较完整，基本无纳米线和虫洞的存在。