光电化学(PEC)水分解技术有望解决化石燃料燃烧所引起的全球能源紧缺和气候变化问题。一维TiO2材料由于长径比高、电荷转移性能优异和比表面积大等优点,被广泛应用于光电催化领域。但其作为一种宽禁带半导体材料,对太阳能的利用率较低,这使得TiO2的光电转换效率较低。基于此,本文通过构建异质结和添加催化剂的方法对其进行改性和修饰,制备出性能优异的TiO2基复合材料,并将其应用于光电催化水分解领域。主要研究结果如下:(1)利用滴涂法结合水热法制备出新型TiO2@Co-C3N4纳米阵列。其中Co-C3N4纳米片通过一步热缩聚法合成,通过XPS,FTIR,EDS和UV-Vis DR等表征方法证明Co原子与g-C3N4成功配位。并通过改变Co-C3N4的滴涂量调控TiO2@Co-C3N4的PEC性能,当Co-C3N4的负载量达到0.75 μg/cm2时,光电催化性能达到最佳,此时Co含量为1.47×10-3μg/cm2。研究表明,当外加偏压为1.23 VRHE时,TiO2@Co-C3N4纳米阵列的光电流密度最高可达到1.79 mA/cm2,是TiO2@g-C3N4的2.3倍。且在该偏压下,持续光照10 h后,TiO2@Co-C3N4纳米阵列的光电流密度仍保持初始值不变。Mott-Schottky曲线和DPV曲线表明g-C3N4与TiO2之间形成了匹配的n-n异质结,参与配位的Co原子则被认为是水氧化的助催化剂,并基于此提出了光电催化水氧化的可能机理。光激发产生的空穴将Co原子从CoⅡ氧化为CoⅢ和CoⅣ,这些高价态的钴物种会加快水氧化的动力学。此外,Co-C3N4可以促进载流子的转移,提高TiO2@Co-C3N4纳米阵列的能量转换效率。(2)利用大环π共轭的酞菁铜(CuPc)在TiO2纳米棒阵列上的界面自组装,实现了光电化学器件的制备(TiO2@CuPc纳米阵列)。通过调整CuPc的沉积时间控制光电催化性能,研究发现当沉积时间为60 s时,催化剂光电性能达到最佳,此时Cu含量约为27.1 μg/cm2,催化剂表面的钛-铜原子比约为30:1。在AM 1.5G太阳光模拟器100 mW/cm2的光照下,TiO2@CuPc纳米阵列光阳极在1.23 VRHE电压下的光电流密度最高可达到2.40mA/cm2,是纯TiO2的2.4倍。同时,利用该策略构建的光电化学装置稳定性好,连续运行后光电流密度几乎没有下降。Mott-Schottky曲线和LSV曲线表明CuPc是水氧化的助催化剂,并基于此提出了光电催化水氧化的可能机理。光激发产生的空穴将酞菁铜中的CuⅡ氧化为CuⅢ和CuⅣ,这些高价态的铜物种进一步将水氧化成氧气。CuPc薄膜被认为是一种快速氧化还原介质,可以降低水氧化活反应的活化能,并有效促进电荷分离过程从而提高光电催化性能。