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能源危机与环境污染问题已经成为当今国际社会要共同面对的严峻问题,可再生清洁能源的研发成为解决这一问题的主要途径。其中,光电催化水分解制氢是新能源开发领域的一个重要发展方向,利用这一技术可以使太阳能转换为绿色无污染的化学能。光电催化水分解过程包括光阳极上的水氧化产氧和对电极上的水还原产氢两个半反应。由于水氧化反应涉及到连续的四电荷迁移反应,需要较高的反应活化能,故而光阳极上的水氧化过程是影响水分解反应性能的主要因素。因此,开发高性能光电催化水氧化光阳极材料具有十分重要的意义。目前,以二氧化钛为代表的宽带隙半导体仍然是最具潜力的光电催化水氧化光阳极材料。但其作为宽带隙半导体,光响应范围窄,光生载流子数量有限;同时作为本征半导体,半导体中光生载流子的传输过程往往伴随着严重的载流子复合现象;此外二氧化钛的界面水氧化动力学性能也较为缓慢,因而在电极/电解液界面也存在着严重的载流子复合与光腐蚀作用。本文主要以异质结工程、界面工程等改善光阳极材料的光吸收/捕获能力、受激状态下半导体中载流子的传输能力与界面水氧化动力学性能,深入分析相应的光生载流子分离-传输、电极/电解液界面水氧化反应的物理机制。主要研究内容如下:(1)通过热注入-水热辅助法制备了 Cu2ZnSnS4(CZTS)纳米颗粒敏化金属有机骨架结构衍生介孔TiO2(CZTS/Ti02)光电催化水氧化光阳极材料。研究发现,CZTS纳米颗粒能够均匀地生长在Ti02表面。同时,TiO2由于继承了前驱体大比表面、富孔的结构特点,材料的界面反应活性位点数量显著增加,从而改善了其界面水氧化性能。由于存在孔内多重光散射作用,本征Ti02的光捕获能力显著提升。同时,CZTS纳米颗粒敏化金属有机骨架结构衍生TiO2系统的光生载流子分离能力获得显著改善。这是由于在CZTS/Ti02界面之间形成了能带结构匹配的Ⅱ-型异质结,抑制了系统光生电子-空穴对的复合作用。实验结果表明,CZTS/TiO2表现出优异的光电化学性能,偏压为0.44 V(vs.RHE)时,最大光电转换效率为0.77%,在1.23 V(vs.RHE)偏压下,光电流密度为2.15 mA cm-2。(2)采用两步水热法成功制备了层状MoS2修饰的Sn4+离子掺杂金属有机骨架结构衍生金红石/锐钛矿(双相)TiO2(MDT)体相异质结。研究表明,相比于P25,MOFs-衍生双相Ti02由于具有彼此连接可调的孔道与孔径结构,因而具有更好的光捕获性能和更多的界面反应活性位点。Sn4+掺杂可以有效调控金红石/锐钛矿Ti02体相异质结的组分与孔结构。负载层状MoS2后,双相Ti02的光响应范围和界面水氧化能力都得到了显著的改善。层状MoS2和锐钛矿/金红石双相TiO2之间构建能带结构匹配的多重异质结结构,使得系统载流子复合率降低,载流子传输性得到有效提高。结果表明,通过优化系统的结构和组分,MDT的光电催化水氧化性能显著改善,在1.23 V(vs.RHE)偏压下,其光电流密度能够达到1.99 mA ccm-2,是纯相TiO2的2.36倍。(3)通过静电吸附-水热辅助法在硅基底上制备了 ZIF-67衍生Co3 04/TiO2异质结纳米棒光阳极。实验证明,Co3O4/TiO2/Si三元异质结光阳极材料表现出了优异的载流子传输、注入效率,其中TiO2/Si反常Ⅱ-型异质结有效提高了本征TiO2光生电子-空穴的分离能力,Co3O4/TiO2常规Ⅱ型异质结进一步提高了系统光生载流子的分离传输性能;同时ZIF-67衍生Co3O4提供的大比表面积有效提升了电极的界面水氧化效率。Co3O4/TiO2/Si三元系统表现出优异的光电化学性能,偏压为1.04 V(vs.RHE)时,最大光电转换转换效率为0.54%,在1.23 V(vs.RHE)偏压下,光电流密度为2.71 mA cm-2(碱性电解液)。(4)采用静电吸附-高温退火法制备了 ZIF-67衍生窄带隙Co3C纳米片敏化Ti02纳米笼结构。研究发现,窄带隙Co3C纳米片能够显著改善本征Co3C/TiO2系统的光捕获性能。通过形成能带结构匹配的Ⅱ-型异质结,Co3/TiO2复合结构的载流子输运性能得到了显著改善。作为产氧共催化剂,Co3C可以显著改善本征Ti02的界面水氧化动力学性能。通过优化系统结构和组分,ZIF-67-衍生Co3C纳米片敏化八面体Ti02空心纳米笼的光电流密度和载流子分离效率都获得了显著提高(2.6 mA cnm-2及92.6%,偏压1.23 V vs.RHE),相较于本征TiO2分别提高了 201%及152%。(5)利用离子插层-热切割方法制备了Co-MXene量子点(Co-MQD,Janus结构)。实验表明Co-MQD作为一种新型光电催化水氧化肖脱基催化剂表现了优异的水裂解性能。同时,由于金属Co引起的表面等离子体共振效应,产物Co-MQD的光响应性能获得了显著提升。此外,Co颗粒作为水氧化反应活性位点,本征MQD的界面水氧化动力学性能能够获得显著提升。更重要的是,通过Co/MQD金属/半导体界面肖脱基势垒的整流效应,Janus结构Co-MQD系统的载流子分离性能可得到明显提高。由于Janus结构独特的结构特点,Co-MQD的光电流密度和载流子分离效率得到明显提高(2.99 mA cm-2及87.56%,偏压1.23 V vs.RHE),相较于本征MQD分别提高了 194%及236%。(6)利用共沉淀-退火法制备了CsPbBr3/Co304/N掺杂C复合物。研究发现ZIF-67衍生出N掺杂C骨架中含有大量的吡咯型N,可以自发地与CsPbBr3中的Br原子形成独特的N-Br卤键,从而抑制CsPbBr3在水相环境中的解离,循环24小时后依然能保持CsPbBr3纳米晶的立方相结构。此外,利用能带工程合理调控CsPbBr3和Co304/N-C的相对能带结构位置可以有效提高系统的载流子传输性能;调整CsPbBr3/Co304/N-C复合物的组分,可以显著提高系统光生载流子的浓度。基于以上条件,CsPbBr3/Co304/N-C样品的光电流密度和载流子分离能力都获得了显著提高(1.38 mA cm-2及41.33%,偏压 1.23 Vvs.RHE),相较于本征CsPbBr3分别提高了536%及122%。