能源需求、环境破坏污染等系列问题迫切需要人类积极寻找可替代的清洁可再生能源。已知的可再生清洁能源如太阳能、氢能、地热能、风能、生物质能、水能以及海洋能源等已相继被开发利用。其中太阳能能量丰富、清洁无污染;氢气,能量密度高,燃烧产物是水,无污染,且又可以继续参与循环利用。于是,开发能将太阳能高效转化为化学能存储在氢气中的相关转化、存储材料成为多个领域的热点研究内容。在光电化学(PEC)水分解领域,近些年科研人员投入了较多的研究资源来探索能够实现高效利用太阳能的半导体材料;也因此,探索具有良好的光电化学水分解性能的半导体光电极材料成为该领域的研究热点。其中,赤铁矿(α-Fe₂O₃)是一种重要的半导体材料,禁带宽度~2.1 e V,碱性环境下性质稳定,地壳储量丰富、无毒无污染;另外,α-Fe₂O₃可达到的理论光电流密度为12.6 m A·cm^-2,理论太阳能-氢气(STH)转化率为16.8%。因此,赤铁矿(α-Fe₂O₃)半导体材料被认为在光电化学水分解研究中具有广阔的应用前景,是应用于光电化学水分解极具潜力的半导体材料之一。但α-Fe₂O₃也存在水氧化动力学缓慢、导电性差、表面态密度高以及光生电荷寿命短等缺点,这使得其在参与光电化学水分解的实际操作过程中获得的光电流密度远不足其理论光电流密度。研究发现,向α-Fe₂O₃掺杂过渡金属离子可以在不同程度上优化α-Fe₂O₃的光电化学水分解性能。报道称通过向合成赤铁矿的前驱体溶液中掺杂适量的过渡金属离子Ti⁴⁺后,经水热、高温退火处理,成功合成了钛掺杂赤铁矿;实验表明Ti⁴⁺掺杂后光电极的载流子数量增加,光生电子-空穴复合现象减弱,使其光电流密度明显提高。基于以上研究事实和报道,论文在过渡金属离子Ti⁴⁺掺杂α-Fe₂O₃的基础上,对钛掺杂赤铁矿光电极(论文中记为Ti-α-Fe₂O₃)表面修饰后其光电化学水分解性能改善情况作了进一步研究,并探讨了表面修饰层的影响和机理。论文中,实验首先水热合成钛掺杂赤铁矿的前驱体(Ti-β-Fe OOH),经两步快速高温退火处理得到Ti-α-Fe₂O₃半导体材料;然后对Ti-α-Fe₂O₃半导体光电极材料进行表面自组装修饰。自组装是纳米材料表面修饰的一种简便易行的方式。论文主要研究内容分为以下两个部分:1.Co₃O₄纳米颗粒自组装修饰Ti-α-Fe₂O₃光阳极的制备及其光电化学水分解行为研究相比高成本的Ir基和Ru基催化剂,Fe、Ni、Co等过渡金属的氧化物由于具有低成本、低毒性、良好的稳定性及助催化性能等特点而被关注。其中,钴的氧化物(Co Ox)是一种具有很大潜力的助催化剂,可实现与Ir基或Ru基催化剂相似的高催化活性。PDA具有强黏附能力、加速电子转移的能力。该实验尝试采用盐酸盐多巴胺与硝酸钴(Co(NO₃)₂·6H₂O),对Ti-α-Fe₂O₃光阳极进行表面自组装修饰。实验发现PDA有利于Co₃O₄纳米粒子成功自组装在Ti-α-Fe₂O₃光阳极表面,并最终获得Co₃O₄ NPs-Ti-α-Fe₂O₃光阳极。在1.23 V(相对RHE而言)Co₃O₄ NPs-Ti-α-Fe₂O₃光阳极表现出比原始Ti-α-Fe₂O₃光阳极更好的光电化学水分解性能,其光电流密度可以达到4.01 m A·cm^-2,是Ti-α-Fe₂O₃光阳极光电流密度的3.5倍。这项工作制备了可高效参与水氧化过程的Co₃O₄ NPs-Ti-α-Fe₂O₃光阳极纳米材料,并深入分析和探讨了Co₃O₄ NPs-Ti-α-Fe₂O₃光阳极表现出更好的光电化学水分解性能的机制。2.HPMo/PDA复合物自组装修饰Ti-α-Fe₂O₃光阳极的制备及其光电化学水分解行为研究多巴胺是聚多巴胺(PDA)的前体,PDA具有强黏附性,加速电子转移的能力。但多巴胺的聚合过程受多种因素影响,想要实现多巴胺均匀聚合不团聚就需要对多巴胺聚合过程进行调控。多金属氧酸盐(POMs),具有氧化还原性等特点,多用作催化剂。该实验中,采用盐酸盐多巴胺与磷钼酸(H₃PO₄·12MoO₃)对Ti-α-Fe₂O₃光阳极进行表面自组装修饰。实验发现磷钼酸(H₃PO₄·12MoO₃)能够调控多巴胺在Ti-α-Fe₂O₃纳米棒表面均匀聚合,形成一层与Ti-α-Fe₂O₃纳米棒表面紧密接触且均匀的薄层,最终获得核壳结构的Ti-α-Fe₂O₃@HPMo/PDA光阳极。在1.23 V(相对RHE而言)Ti-α-Fe₂O₃@HPMo/PDA光阳极表现出比原始Ti-α-Fe₂O₃光阳极更好的光电化学水分解性能,其光电流密度可以达到3.27 m A·cm^-2,是Ti-α-Fe₂O₃光阳极光电流密度的3.1倍。这项工作通过磷钼酸调控多巴胺均匀聚合成功制备了Ti-α-Fe₂O₃@HPMo/PDA核壳结构光阳极纳米材料;并深入分析和探讨了Ti-α-Fe₂O₃@HPMo/PDA光阳极表现出更好的水氧化性能的机制。