大量使用化石能源造成的能源危机与环境问题严重威胁到了人类的生存和发展。因此,开发新型的、清洁无污染的可再生能源势在必行。太阳能是一种取之无尽用之无竭的能源,具有巨大的发展潜力。但太阳能受到时间和空间因素的影响,无法实现大规模的、持续的应用。而氢能作为一种清洁无污染且具有高燃烧热值的二次能源一直受到广泛关注。通过光电催化水分解将太阳能转变为氢能,是解决能源危机和和环境问题的可行方案之一。光电催化水分解反应主要受到光吸收效率、电荷传输效率以及界面电荷转移效率的影响。因此,选择具有优异的可见光吸收性能的半导体材料,改善其电荷传输和转移是光电催化反应研究的重点。本文以钒酸铋和赤铁矿作为研究对象,探究并改善其光电催化水氧化性能。钒酸铋具有合适的带隙,长的载流子寿命和扩散长度,然而,缓慢的水氧化动力学和较低的载流子迁移率限制了它的发展,鉴于此,本工作选择负载助催化剂来改善其水氧化性能;赤铁矿材料的吸光性能优于钒酸铋,理论光电流密度可以达到12.6 m A·cm^-2,且在宽p H范围内具有良好的稳定性。然而,它的空穴扩散长度短、电导率差、载流子迁移率低,针对这些问题,本工作选择掺杂的方式来提高它的光电催化水氧化性能。具体研究内容如下:(1)Ru-bda(bda=2,2’-联吡啶-6,6’-二羧酸)分子催化剂具有高度扭曲的八面体构型,O-Ru-O之间的键角可以达到122.99°,具有较小的空间位阻,对水分子的亲核进攻十分有利,是一种高效的水氧化催化剂。然而,Ru-bda分子催化剂与其它分子催化剂一样存在着在半导体电极表面有效载量低的问题,这导致其催化效率偏低。在本工作中,以[Ru(bda)(异烟酸)₂]作为有机配体、无水醋酸锌作为金属源,通过液相外延法制备了沿着单一取向生长的表面支撑钌基金属有机框架(Ru-SURMOF),与[Ru(bda)(异烟酸)₂]作为助催化剂几乎没有提升钒酸铋光电流密度的情况相比,负载Ru-SURMOF的钒酸铋光电流密度由0.6 m A·cm^-2提升到1.2 m A·cm^-2,这主要是由于MOFs具有大的比表面积和丰富的活性位点。此外,通过稳态荧光光谱和电化学阻抗测试,发现Ru-SURMOF的负载能有效促进钒酸铋表面电荷的传输,抑制表面光生电荷的复合。(2)在赤铁矿中掺杂杂原子可以显著提高载流子的迁移率和密度。常用的方法是N型掺杂,即用四价离子和五价离子取代Fe³⁺,增加供体密度,进而增强半导体/电解质界面的能带弯曲程度,抑制光生载流子的复合。因此,本工作尝试使用四价铪离子(Hf⁴⁺)取代Fe³⁺来提高赤铁矿的性能。通过在Fe OOH的水热反应前驱液中加入Hf Cl₄和Ti Cl₄,并将其在空气中煅烧,制备出Hf、Ti单掺杂和共掺杂的赤铁矿光阳极。Hf⁴⁺掺入使光电流密度由0.1 m A·cm^-2提升到0.5 m A·cm^-2,Hf、Ti共掺杂进一步将其光电流密度提升到1.25 m A·cm^-2。通过紫外-可见吸收光谱、稳态荧光光谱、电化学阻抗以及光暗条件下开路电压的测试证明,Hf、Ti掺杂和共掺杂起到了以下作用:(i)提高了赤铁矿光阳极的光吸收;(ii)增强了赤铁矿能带的弯曲程度,抑制了光生电荷的复合;(iii)提高了赤铁矿导电性,促进了光生电荷的传输。