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当今社会的快速发展导致了能源和环境两大世纪性难题的出现。氢能是一种清洁可再生能源,并且因其能量密度高,容易存储等优点备受青睐。因此如何制氢成为了众多科学家们研究的热门话题。光催化分解水制氢实质是太阳能向化学能的转化,能量以化学键的形式存储,类似于自然界中的光合作用。这种人工模拟自然光合作用的过程旨在希望通过半导体作为媒介,实现利用太阳能解决全球日益增长的环境污染和能源短缺问题的双重功效。我们知道在一个典型的光催化反应中,均涉及光子的吸收、光生载流子的分离、传输及表面的催化氧化和催化还原反应。其中起决定作用的是中间过程即光生载流子的分离及传输,因为该过程直接决定了到达催化剂表面光生电子和空穴的数目。那么,我们的问题就是调控光生电荷行为以在空间和时间上实现最大程度化的分离。在众多半导体中,石墨相氮化碳（g-C3N4）由于其结构稳定,容易获取及不含金属等特性而被广泛的列为光催化分解水产氢的重要候选材料之一。硫化镉（CdS）因其带隙较窄（2.4 eV）,能够吸收太阳光谱中占据45%的可见光;较合适的导带位置,利于水还原反应的发生;电子传导性较高等特性而成为光催化产氢的明星材料。对于氧化铁（Fe2O3）而言,因其对光捕获效率较高,原料来源丰富、光稳定性高等优点在众多光阳极材料中脱颖而出。以上包括的三种材料在光催化反应中均因光生载流子的极易复合,也就是量子效率低而降低了它们实际应用的价值。那么如何提高材料中光生电荷的分离及传输效率将是我们在研究中所需要关注的重点。一般地,针对以上难题,所涉及到的手段包括单一或双重助催化剂的表面负载,不仅起到捕获单一电荷或分别捕获两种电荷的目的,而且还能够提供反应的活性位点,降低反应的过电位,最终达到光生电荷分离的目的;异质结的构筑,界面处将会形成自建电场,那么在该电场的作用下驱动着光生电子和空穴朝相反的方向迁移,同样可以实现光生载流子的高效分离等。因此,在该论文中我们有目的性的选取了以上所提及的g-C3N4、CdS和Fe2O3三种材料来探究改性之后的复合体系结构与其光生电荷行为及光催化活性之间的内在联系。在该几部分工作中,g-C3N4和CdS则是作为主体材料用于光催化分解水制氢,Fe2O3用于光电催化分解水产氧。具体的内容如下所示:1)非贵金属CoP改性的g-C3N4催化剂用于可见光下高效光催化分解水产氢:我们采用简单的机械研磨方法成功制备出了CoP/g-C3N4复合材料催化剂,在该体系中,CoP充当了助催化剂的作用,作为电子受体捕获g-C3N4导带中的电子,进而驱使着主体材料中光生电荷的分离。其次,CoP还显著提高了复合材料对光的捕获效率。实验结果表明,目标催化剂CoP/g-C3N4在可见光下（l≥420 nm）的分解水产氢速率为474.4mmol h-1 g-1,是纯g-C3N4的131倍;与此同时,该结果比同等条件下的Pt/g-C3N4的活性还要高。为了探究光催化反应中光生电荷行为及机理研究,我们对两者的带隙及能级位置进行了分析,发现CoP和g-C3N4的能带位置匹配,为光生电子和空穴提供了有效传输方向及快速的分离,进而延长了光生电子的寿命,提高了光催化分解水产氢的速率。该研究为在光催化体系中引入适当的助催化剂提供了思路及方法。2)高效稳定CdS@Mo2C-C核壳结构纳米棒用于光催化分解水产氢实现活性与稳定性并存:我们采用简单的溶剂热-水热-高温煅烧相结合的方法首次将Mo2C-C原位长在了一维CdS棒的表面,得到了核壳结构光催化剂。在该体系中,Mo2C-C起着非常重要的作用:即（1）助催化剂的作用,它是电子捕获陷阱,有效的促进了CdS中光生电荷的分离、降低了光催化分解水反应的表面势垒;（2）具有良好的导电性,能够快速传输光生电子和空穴至催化剂的表面;（3）对内层CdS有较强的保护作用,能够有效隔绝空穴与CdS的接触,有效防止了其光腐蚀的发生。实验结果表明,目标光催化剂CdS@Mo2C-C具有优异的光催化分解水产氢性能,即17.24 mmol h-1 g-1,是纯CdS速率的141倍。此外,该复合材料催化剂的光稳定性较CdS也有非常明显的提高。此外,我们对该光催化反应机制进行了详细的讨论。该工作为设计出高效稳定的硫化物基半导体材料提供了一个明确且崭新的方向,是一项极具意义的研究。3)助催化剂Co-Pi修饰的Co3O4/Ti:Fe2O3 p-n异质结光阳极光电催化分解水产氧性能研究:首先,我们采用水热-煅烧结合的方法制备了Ti掺杂的Fe2O3（Ti:Fe2O3）纳米棒阵列;其次我们依次采用电化学沉积和光电化学沉积的方法在上述Ti:Fe2O3电极上长Co3O4和Co-Pi,最终得到了Co-Pi/Co3O4/Ti:Fe2O3目标光阳极。结果表明,该目标光阳极在水的分解电压1.23 V vs.RHE（相对于可逆氢电极）下的光电流密度高达2.7 mA cm-2,分别是纯Fe2O3和Ti:Fe2O3光电流密度的18和2.2倍。此外,Co-Pi/Co3O4的修饰使得Ti:Fe2O3的起始电位发生了明显的负移,也就是说起到了降低该光阳极PEC反应过电位的作用。原因分析如下:在Co3O4/Ti:Fe2O3 p-n异质结的界面形成了自建电场,该电场有效地促进了光生电荷的分离和传输;此外,我们选用了具有更强空穴捕获能力的Co-Pi来去除Co3O4价带中空穴而注入到电解液中,从而进一步促进了光生电荷的分离,光电流密度也进一步提高。4)碳量子点（CQDs）敏化的Ti:Fe2O3@g-C3N4核壳结构纳米棒阵列光阳极用于光电催化分解水产氧性能研究:我们采用水热-气相沉积-旋涂的方法制备了目标光阳极Ti:Fe2O3@g-C3N4-CQDs纳米棒阵列,在该催化剂中g-C3N4以薄片的形式长在了Ti:Fe2O3的表面形成了核壳结构,CQDs的表面修饰使得其颗粒均匀地分布在外层壳的表面。实验结果表明,该光阳极在1.23 V vs.RHE下的光电流密度高达3.4 mA cm-2,比Ti:Fe2O3在相同条件下的光电流密度的两倍还要高。分析表明:在该复合体系中（1）Ti:Fe2O3价带中的空穴是沿着特定方向传输的即Ti:Fe2O3→g-C3N4→CQDs;（2）CQDs对H2O2的分解水有很好的催化作用,使得4电子水氧化的过程转变成容易进行的两步两电子过程;（3）CQDs具有较好的导电性,使得空穴快速注入到电解液中参与水氧化反应。该思路为设计高性能光阳极材料提供了帮助。