随着现代科技的不断发展和进步,化石能源的短缺已经难以满足目前社会可持续发展的需求,所以将科研工作的研究重点转移到环境保护和新能源开发上是非常有必要的。具有高能量密度的氢气,是与我们生活密不可分的洁净环保型气体,在最具有应用前景的新型能源行列有一定的研究价值。太阳凭借能源储量丰富的优势,成为光电转化领域极具有挑战性的课题,受到科学界越来越广泛的重视。光电化学(PEC)系统是实现光电转化的中心环节,能够促进太阳能和氢能的高效结合以获得可再生能源。光电极材料是PEC系统的重要组成部分,利于分解水的电极材料,不仅能带结构、光吸收范围是重要的指标,而且载流子传输效率、稳定性和耐腐蚀性也起到决定性作用。但是,要具备以上所有优势,还要满足实际应用的电极材料当前还没有探索到。因此,寻找新型光电极材料的同时,对原有的电极材料进行构造和开发来提高光电极性能,在当前科学研究领域具有非凡的意义。赤铁矿(Fe₂O₃)具有合适的带隙、稳定性好和成本低等显著的优点,在PEC领域显示出巨大的应用潜力。但是,与其他窄带隙半导体类似,Fe₂O₃的性能仍然受到载流子迁移率低,电荷分离能力差等问题的限制。为了解决这一科学问题,改善Fe₂O₃的缺点,本篇论文构建了P-N型Fe₂O₃/CuO异质结薄膜和Cu掺杂Fe₂O₃(Cu-Fe₂O₃)光电极薄膜。并对薄膜的制备条件进行调节和控制,分析其表面形貌、晶格取向、吸光响应和PEC性能,从而使新型Fe₂O₃/CuO和Cu-Fe₂O₃光电极薄膜获得最佳的PEC性能。详细的内容如下:1.P-N型Fe₂O₃/CuO异质结光阳极:采用水热法和浸渍提拉法成功制备得到P-N型Fe₂O₃/CuO异质结薄膜。并通过调节浸渍提拉的循环次数,控制Fe₂O₃/CuO薄膜中CuO的负载量,探究负载纳米CuO对Fe₂O₃/CuO薄膜PEC性能的影响。结果发现,Fe₂O₃/CuO异质结薄膜具有更好的PEC性能,能改善载流子迁移效率。在1.23V vs.RHE条件下,Fe₂O₃/CuO薄膜的光电流密度和入射单色光子-电子转化效率(IPCE)分别达到0.70 m A/cm²和11.4%。并且光连续照射6000秒后,反应器中Fe₂O₃/CuO产生的H₂和O₂量呈线性增加,最终分别达到8.52和3.61μmol,是纯Fe₂O₃的1.9和1.8倍。本工作为制备高效的Fe₂O₃-基复合光电极提供了一条新的途径。2.Cu掺杂Fe₂O₃光阳极:针对Fe₂O₃电荷分离能力差的问题,采用传统的水热法将Cu掺杂的Fe₂O₃纳米棒生长在导电基底上。通过调节Cu的掺杂浓度,获得高性能的光电极薄膜。6%Cu-Fe₂O₃薄膜在365 nm处的IPCE值达到27.8%。并且其光电流密度(3.39 m A/cm²)比纯Fe₂O₃高出3.03 m A/cm²。此外,莫特肖特基曲线(M-S)和发致发光图谱(PL)等测试均可清楚地表明,Cu掺杂不仅能有效地增加Fe₂O₃光阳极的载流子密度,还能促进电子和空穴迁移,降低复合效率。我们的工作提供了一种简单的掺杂方法来改善Fe₂O₃光阳极的PEC性能。