环境问题和能源危机日趋严峻,开发新型可再生清洁能源已间不容缓。太阳能具有普遍、清洁、可再生、能量巨大等优势,在光伏、光热等方面已经进入了大规模应用阶段,但是太阳能具有间歇性和波动性,极大地限制了其应用。氢能具有能量密度高、清洁无污染、可持续、利用方式多样等众多优势,被认为是理想的储能形式。光电化学分解水制氢结合了太阳能和氢能的优势,可将太阳能转化为氢气储存起来,经济环保,是一种极具发展前景的能源技术。水分解包括析氢和析氧两个半反应,后者涉及质子耦合多电子转移,是制约分解水制氢效率的主要因素。因此,制备高效、稳定的半导体光阳极材料是提高光电催化效率的研究重点。赤铁矿(α-Fe₂O₃)具有合适的带隙和良好的稳定性,而且储量丰富,成本低廉,作为光阳极具发展潜力。然而,在分解水应用中赤铁矿也存在一些固有缺陷,包括能带位置不匹配、析氧动力学缓慢、电荷复合严重以及载流子迁移率低等。因此,对赤铁矿进行改性从而提高其光电性能十分必要。构筑异质结可以促进光生电荷的有效分离和转移,是一种制备高效复合光阳极的有效方式。硫属化合物具有合适的带隙和能带位置、高的载流子迁移率和大的比表面积以及良好的光/电催化活性,近年在光电转化领域得到广泛应用。基于此,本论文将赤铁矿与硫属化合物结合,构筑了异质结复合光阳极材料,通过对材料的形貌、结构以及界面进行调控,实现了高效光电极的制备,并对其光电催化机理进行了研究。研究内容和主要研究结果如下:(1)界面S-O共价键增强Cu₂S/Fe₂O₃异质结的光电催化分解水性能:通过水热合成法制备了赤铁矿纳米棒阵列,然后利用连续离子层吸附反应法在其表面负载硫化亚铜(Cu₂S)纳米颗粒,构建了 Cu₂S/Fe₂O₃异质结。研究结果表明,在Cu₂S和Fe₂O₃之间可形成S-O共价键,并且可通过退火处理增强键的形成。与Fe₂O₃光阳极相比,Cu₂S/Fe₂O₃异质结复合材料提高了电荷分离和转移能力,扩大了光吸收范围,抑制了载流子复合。更重要的是,在Cu₂S和Fe₂O₃的异质界面处形成的S-O键使接触更紧密,降低了界面接触电阻,促进了电荷转移。此外,由于Cu₂S的光热特性,该异质结构在光照下表现出更高的光热效应,提高了局域反应微环境的温度,有利于提高析氧反应速率。性能测试结果表明,Cu₂S/Fe₂O₃异质结光阳极在1.23Vvs.RHE下的光电流密度提高了 177%,达到1.19 mA cm^-2,S-O共价键的形成显著增强了光电化学活性和稳定性。(2)NiSe₂/Fe₂O₃异质结设计合成及其光电催化分解水性能研究:通过水热合成法制备了掺钛赤铁矿(Ti:Fe₂O₃),然后采用离子吸附-气相硒化的方法在其表面负载二硒化镍(NiSe₂)纳米颗粒,构筑了 NiSe₂/Fe₂O₃异质结。研究结果表明,NiSe₂/Fe₂O₃异质界面处形成了内建电场,促进了电荷的有效分离和转移,延长了载流子寿命。表面负载的NiSe₂诱导Ti:Fe₂O₃产生了氧空位,增加了载流子浓度,提高了导电性。此外,电极表面形成了 Se-O物种,可钝化表面缺陷,同时改善水氧化动力学。性能测试结果表明,NiSe₂/Fe₂O₃光阳极在1.23 V vs.RHE下的光电流密度达到1.14 mA cm^-2,是Ti:Fe₂O₃电流密度的1.5倍。这一结果可为今后高效光电极上引入多功能修饰层的设计构筑提供借鉴。