光电化学(PEC)水分解是指将具有光活性的半导体材料作为光电极,在外加电压的辅助下,利用太阳光将水分解成氢气和氧气的过程。因其具有清洁、可再生的特点,PEC水分解被认为是绿色产氢的一大重要途径。为了提高PEC水分解的效率,人们致力于寻找更加合适的光电极材料或将现有的材料进行改性优化。氧化钨(WO3)是制作光阳极的典型材料。但是较宽的带隙和表面缓慢的析氧动力学限制了 WO3光阳极的PEC水分解效率。为解决WO3的这些问题,本论文分别从构建异质结和表面修饰两个方面对WO3光阳极进行了优化。我们设计并制备了 WO3/Bi2S3、WO3/CdIn2S4和WO3/NiFe层状双氢氧化物(WO3/NiFe-LDH)三种复合光阳极,详细研究了光阳极的PEC性能以及工作机制,具体的研究内容如下:(1)WO3/Bi2S3:利用水热法合成片状WO3阵列,使用连续离子吸附与反应法在WO3表面制备Bi2S3种子层,之后通过化学浴沉积在WO3阵列上生长Bi2S3纳米棒。经测试,有种子层辅助生长的WO3/Bi2S3复合光阳极在电压为0.9 V vs.RHE处的光电流密度达到了 5.95 mA cm-2,分别是纯W03光阳极以及没有种子层的WO3/Bi2S3光阳极的35和1.4倍。通过机理探究,我们发现Bi2S3的窄带隙有效地扩大了光阳极的吸光范围,WO3与Bi2S3之间的Ⅱ型能带结构促进了载流子的分离和传输,种子层的存在优化了两种材料之间的界面接触,上述几点共同提高了光阳极的PEC性能。(2)WO3/CdIn2S4:利用化学浴沉积的方法在WO3阵列上生长了 CdIn2S4纳米片。复合后的WO3/CdIn22S4光阳极在1.23 V vs.RHE处的光电流达到了 4.96 mA cm-2,是纯WO3光阳极的13.7倍。我们通过紫外光电子能谱和光吸收图谱测得了 W03和CdIn2S4的能带位置,证明它们具有匹配的能带结构,可以构成Ⅱ型异质结,有利于载流子的传输过程。我们通过光吸收图谱、电化学阻抗谱和莫特肖特基曲线证明了:与纯W03相比,WO3/CdIn2S4光阳极具有更强的光吸收能力、更小的电荷转移阻抗以及更高的载流子密度,因此复合后的光阳极性能得到了明显提升。(3)WO3/NiFe-LDH:利用电化学沉积在WO3阵列上负载了 NiFe-LDH电催化剂,之后利用NaBH4溶液对NiFe-LDH进行了进一步处理。经过NaBH4处理的WO3/NiFe-LDH在1.23 V vs.RHE处的光电流达到了 0.62 mA cm-2,分别是处理前的WO3/NiFe-LDH光阳极和纯W03的1.19和1.88倍。通过测试光阳极的电化学阻抗图谱,我们发现NiFe-LDH的存在可以减小WO3光阳极表面的电荷转移阻抗。在经过NaBH4处理后,样品表面的电荷转移阻抗继续减小,同时载流子寿命获得了明显增长,因此光阳极的PEC性能得到了进一步增长。通过物相表征,我们发现经过NaBH4处理后,样品表面的低价态金属原子的含量相对增加。我们推测金属原子价态的变化是影响光阳极表面催化活性的重要因素。