化石燃料燃烧造成的环境污染和能源短缺问题,促使绿色可再生能源的制备技术获得了快速的发展。光电化学(PEC)分解水以太阳能作为驱动力将水转化为清洁的氢气,是理想的太阳能转化和存储技术。然而,目前光电化学分解水系统实际的太阳能转化为氢效率(STH)远低于工业化的能量转化需求。在光电化学分解水反应中,光阳极上发生四电子转移的水氧化过程,是整个反应的速控步骤。因此,高效光阳极的设计和制备是实现高STH效率的关键。赤铁矿(α-Fe₂O₃)由于元素组成丰富、禁带宽度窄、光电化学稳定性优异、无毒性而备受关注。但α-Fe₂O₃存在导电率低、空穴扩散长度短、表面析氧动力学缓慢等缺点严重限制了它的发展和应用。负载合适的助催化剂可以降低水氧化反应的活化能,减小电荷传输阻力,进而改善析氧动力学缓慢问题,是提高光电化学分解水效率的最为有效的手段之一。论文以α-Fe₂O₃为光阳极材料,在其表面原位设计和生长CoOOH基助催化剂,构筑高效复合光阳极,探究了复合光阳极中光生电荷分离效率、表面活性位点及载流子表面传输效率与光电化学分解水性能之间的关系,为开发高效的光阳极提供一定的理论和实验依据。主要包括以下三个部分:(1)CoOOH纳米片修饰α-Fe₂O₃光阳极的光电化学水氧化性能:以[Co-EDTA]^2-为前驱体,采用连续吸附/配体调控水解-氧化两步法在α-Fe₂O₃表面原位生长超薄CoOOH纳米片,构筑了CoOOH/α-Fe₂O₃复合光阳极。光电水氧化性能测试显示,CoOOH纳米片助催化剂可显著提高α-Fe₂O₃光电流密度,光照条件下,CoOOH/α-Fe₂O₃在1.23 V vs.RHE处的光电流密度为2.10 mA·cm^-2,是α-Fe₂O₃光电流密度的2.8倍,且起始电位负移约200 mV。扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等表征表明,EDTA配体对CoOOH纳米片的生长和CoOOH中氧空位的形成起着重要的调控作用。进一步结合(光)电化学分析,证实了CoOOH纳米片作为水氧化助催化剂不仅能够为水氧化提供活性位点、降低界面传输电阻,而且能有效钝化α-Fe₂O₃的表面态、抑制表面电荷复合,从而提高α-Fe₂O₃光电化学分解水的性能。(2)rGO和CoOOH共修饰α-Fe₂O₃光阳极的光电化学水氧化性能:针对α-Fe₂O₃导电性差的问题,采用导电性能优异的rGO改善α-Fe₂O₃的导电性,并在此基础上,将CoOOH通过连续吸附/配体调控水解-氧化修饰于α-Fe₂O₃表面,构筑了CoOOH-rGO/α-Fe₂O₃复合光阳极。该复合光阳极的光电流密度在1.23 V vs.RHE处达到2.56 mA·cm^-2,明显高于CoOOH/α-Fe₂O₃、rGO/α-Fe₂O₃和α-Fe₂O₃。其优异的光电化学水氧化性能主要归因于CoOOH和rGO的协同作用:rGO作为导电网络,促进电子从α-Fe₂O₃到FTO衬底的转移,而CoOOH则作为析氧助催化剂为水氧化提供催化活性位点,使光生空穴能快速迁移至光阳极/电解液界面并参与水氧化反应。(3)CoOOH纳米点(NDs)修饰α-Fe₂O₃光阳极的光电化学水氧化性能研究:纳米点催化剂具有较大的比表面积,能更多的暴露催化活性位点。基于此,采用溶剂热法制备了Co(OH)₂/α-Fe₂O₃光阳极,并进一步以H₂O₂为氧化剂处理,制备了CoOOH NDs修饰α-Fe₂O₃复合光阳极(CoOOH NDs/α-Fe₂O₃)。结果表明:CoOOH NDs/α-Fe₂O₃光电极表现出了优异的光电催化分解水性能,在1.23 V vs.RHE处光电流密度提高了约2.68倍。结构及电化学性能表征表明,CoOOH纳米点有利于反应底物的扩散和载流子向界面的迁移,从而提高光电极的光电化学水氧化活性。