传统化石燃料的过度消耗以及所带来的一系列环境问题使得寻找清洁和可再生能源成为近几十年的研究重点。利用太阳能进行光电化学分解水制氢是解决能源困境的有效途径之一,而此方法的关键是找到一个合适的半导体作为光电极。WO₃因其具有合适的禁带宽度、丰度高和低毒性而受到人们的关注,其光转换效率在理论上可以达到6.3%。但由于其光利用率不足、电荷传输性能差、析氧反应动力学缓慢等固有缺陷,过去文献报道的光转换效率都达不到理论计算的最佳值。本文通过负载助催化剂和调控表面电负性的方法对WO₃进行改性并提升光电化学性能。具体研究内容如下:(1)将助催化剂水铁矿(Ferrihydrite,Fh)通过水热法修饰到WO₃光阳极上。通过调整水热时间,将反应条件优化至最佳。在1.23 V(vs.Reversible Hydrogen Electrode,RHE)时,该复合光阳极的光电流密度提高至0.61 mA/cm²,是WO₃光阳极的1.79倍。PEC性能的提高是由于沉积的Fh作为助催化剂,它能够作为一个空穴存储层捕捉和临时存储产生的空穴,进而有效地促进电极表面的载流子分离,改善水氧化反应动力学。(2)在WO₃纳米片上通过表面活性剂辅助可控合成沸石咪唑酯骨架结构-67(Zeolitic Imidazolate Framework-67,ZIF-67),将ZIF-67负载在WO₃纳米片表面,作为助催化剂来提高WO₃纳米片的PEC性能。负载ZIF-67后,载流子浓度增大,光电流密度在1.23 V(vs.RHE)时为0.63 mA/cm²,是WO₃光阳极的1.85倍。此外,表面电荷分离效率(η_surface)和体相电荷分离效率(η_bulk)也都得到了提升。复合光阳极优越的PEC性能总结为以下两点原因。首先,聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl Pyrrolidone,PVP)辅助可控合成ZIF-67可以使WO₃光阳极与ZIF-67之间有良好的接触。其次,ZIF-67可以有效利用到达表面的空穴进行PEC水氧化,减少表面电荷的复合,从而改善水氧化动力学。(3)氟阴离子具有最强的电负性,与氧离子的离子半径相似,可以取代表面氧位点形成离子性更强和极化程度更高的金属-氟键。将WO₃浸渍在NH₄F溶液中对其进行表面氟化,氟化后的光阳极在1.23 V(vs.RHE)时,光电流密度为0.68 mA/cm²,且起始电位向阴极侧移动。WO₃的PEC性能显著提高应归因于氟化后的富氟离子表面更加的亲水,能够为反应提供更多的活性位点,另外氟化后形成的弱金属-氟键有很强的离子性,这有利于载流子的分离,从而提高PEC性能。