当今社会面临着能源短缺与环境污染的双重压力,寻求和利用清洁无污染的可再生能源对优化能源结构和保障社会的可持续发展具有重大战略意义。氢能作为一种公认的清洁能源,能量密度大且储量丰富,因而是一种解决目前能源短缺与环境污染问题的可行途径。通过光电化学水分解电池可以利用储量巨大且可再生的太阳能将水分解成氢气与氧气,从而实现从太阳能到氢能的转换。因此,光电化学水分解技术引起了学术界和产业界的广泛关注。然而目前的半导体光电极材料,尤其是作为光阳极的n型半导体的量子效率过低且稳定性较差,制约了光电化学水分解电池的大规模利用。要实现太阳能水分解制氢的大规模利用,光电化学水分解电池的太阳能到氢能转换效率必须高于10%。因而早期开发的大部分氧化物光催化材料,如TiO2和NaTaO3等,由于其带隙较大因而无法充分吸收利用可见光,导致其理论太阳能到氢能转换效率低于10%。氮化物和钙钛矿型氧氮化物往往具有比氧化物更小的带隙,因而近些年来引起了研究者们的广泛关注,被认为是利用太阳能分解水制氢的最佳光电极材料。其中Ta3N5的带隙约为2.1 eV,且具有适用于水分解的能级结构,是一种具有应用前景的光阳极材料。钙钛矿型氧氮化物,如SrTaO2N、BaTaO2N等,由于其合适的带隙和能级结构,同样受到了研究者们的广泛关注。本论文提出了一种碳酸盐辅助一步氮化法用于合成Ta3N5光电极,避免了传统两步法合成Ta3N5光电极过程中的预氧化处理。通过选用不耐氧化性条件的材料作为透明导电衬底,采用碳酸盐辅助一步氮化法制备了透明的Ta3N5光电极。在此基础上,通过引入共晶盐蒸气作为第二种金属元素来源,实现了钙钛矿型氧氮化物光电极的原位制备。本论文的主要研究内容和成果如下:(1)提出了一种碳酸盐辅助一步氮化法用于制备Ta3N5光电极。目前制备Ta3N5光电极通常采用氧化-氮化法,需要先将金属Ta在氧化性条件中氧化为正五价的钽化合物作为前驱体,接着在氨气气氛中高温氮化得到Ta3N5。这一过程不仅使得工艺趋于复杂,还有可能引入一些不利的杂质。本文提出了一种碳酸盐辅助一步氮化法,直接以金属Ta为前驱体,利用碳酸盐在高温氮化过程中分解产生的CO2作为氧化剂来氧化金属Ta,通过一步氮化反应在氨气气氛中合成了Ta3N5光电极。在采用NiFe层状双氢氧化物电催化剂修饰后,通过此方法制备的Ta3N5光电极在AM 1.5G模拟太阳光的照射下,当外加偏压为1.23 VRHE时其光电流达到了 6 mA cm-2,且在经过1小时的稳定测试后保持了 82%的初始性能。(2)以GaN、TiN和TaC为导电衬底,通过碳酸盐辅助一步氮化法制备了透明Ta3N5光电极。为了组建光电化学水分解电池系统,就必须将n型半导体光阳极与p型半导体光阴极或者光伏器件通过串联的方式整合起来,p型半导体光阴极或者光伏器件吸收n型半导体所不能吸收部分的太阳光,从而实现对太阳光的有效利用。因而若要将Ta3N5光阳极整合进光电化学水分解电池系统中,就必须将n型的Ta3N5光阳极制备在透明的导电衬底上,然而传统的氧化物透明导电衬底不能经受高温氨气气氛。本文提出的碳酸盐辅助一步氮化法避免了传统Ta3N5光阳极制备过程中的预氧化处理,因此可以采用氮化物或碳化物这些不耐氧气条件的材料作为导电衬底来制备透明Ta3N5光电极。通过选用Si:GaN、TiN和TaC作为导电衬底,成功制备了透明Ta3N5光电极。其中制备在TiN和TaC导电衬底上的透明Ta3N5光电极,通过Co/CoOOH电催化层的修饰,在AM 1.5G模拟太阳光源的照射下饱和光电流分别达到了 0.7mAcm-2和1.2 mA cm-2,同时展现了良好的光电化学稳定性。(3)提出了一种无机蒸气反应沉积法用于原位制备一系列钙钛矿型氧氮化物薄膜。钙钛矿型氧氮化物光电极,如SrTaO2N、BaTaO2N等,通常具有比Ta3N5光电极更低的开启电势。但是其往往需要经过800℃以上的高温氮化反应来制备,因而现有的钙钛矿型氧氮化物光电极都是通过电泳沉积法或颗粒转移法将预先合成的氧氮化物颗粒转移到导电衬底上获得的颗粒组装膜。这种薄膜不仅颗粒与颗粒之间的连接较差,颗粒膜与导电衬底之间的连接也较差,因而制约了其光电化学性能的进一步提升。本文提出了一种无机蒸气反应沉积法,原位制备了一系列钙钛矿型氧氮化物薄膜。以SrTaO2N薄膜的制备为例,其利用金属Ta片作为导电衬底与Ta源,以SrCl2蒸气作为Sr源,以SrCO3在高温下分解产生的CO2作为氧化剂来氧化金属Ta,在氨气气氛下原位获得了 SrTaO2N薄膜光电极。此种方法制备的SrTaO2N光电极在担载了 Co/CoOOH电催化层以后,得到了比SrTaO2N颗粒组装膜光电极更好的光电化学性能与稳定性。其在AM 1.5G模拟太阳光源的照射下,光电流在外加偏压为1.23 VRHE时达到了 1.9 mA cm-2,且展现了4小时的光电化学稳定性。此外,此种方法还能拓展到用于制备一系列钙钛矿型氧氮化物薄膜光电极的制备,包括CaTaO2N、BaTaO2N、SrNbO2N和BaNbO2N。