当前环境问题和能源危机日益严峻,新能源的开发成为全世界亟待解决的焦点问题之一。氢能存储规模大并且能量密度高,是理想的新能源之一。而光电化学裂解水,是一种简单快捷的氢能产生方案,通过电化学反应将可再生能源直接转换为化学能。然而,光电化学裂解水的广泛应用一直受到其能量转换效率低的限制,而贵金属纳米颗粒由于其独特的光学特性,可以对其能量转换效率进行有效改善。金（Au）纳米颗粒具有以下优点:首先,金纳米颗粒等离激元共振波长在紫外和可见波段可连续调谐,因此可以针对性的扩展半导体对入射光的吸收范围;其次,金属纳米颗粒光学截面相对较大,通常是几何截面的10倍以上,可以有效优化入射光能量利用率;最后,金属纳米颗粒化学稳定性好,可以保持裂解水进程平稳进行。基于上述分析,本文结合两者各自优势特点,将Au纳米颗粒引入到光电化学裂解水材料中,通过结构设计,实现能量转移途径的调控和能量转换效率的优化。具体内容如下:1、Au纳米颗粒等离激元诱导的热电子注入机制在光电化学催化反应中的应用以及性能的研究。Au纳米颗粒的热电子注入效应,能够增大电荷密度,促进电荷的分离和传输,从而提高其催化性能。基于Au纳米颗粒热电子注入效应的作用,采用水浴法和离子吸附法,将Au纳米颗粒均匀的附着在ZnO-CdS纳米棒阵列的表面,成功制备了ZnO-CdS-Au三元纳米棒阵列。通过对ZnO-CdS-Au三元纳米复合材料的结构、光学性能和光电催化性能的研究,发现其性能得到明显提高,归因于Au纳米颗粒的热电子注入效应,而不是源于CdS吸收增强的结果。与已经报道的相似结构比较,ZnO-CdS-Au纳米棒阵列也展示出优异的性能。2、Au纳米颗粒的Z-scheme机制在光电化学催化反应中的应用以及性能的研究。在三元纳米复合结构中,Au纳米颗粒作为Z-scheme桥梁,能够促进光生电子空穴对的分离和传输,形成光生电子的矢量转移,从而促进光电催化产氢性能。本工作将Au纳米颗粒引入传统的TiO₂-CdS异质结中,制备出TiO₂-Au-CdS三元纳米复合结构。与第一个工作不同的是,此处的Au纳米颗粒经过热处理以后,抑制了其表面等离激元共振特性。结果表明,TiO₂-Au-CdS三元纳米复合结构展示出优异的光电催化性能,在1.23V（vsRHE）处光电流密度达到～6.99mA/cm²,并且产氢量达到～46.64μmol/cm²/h。经过分析得出,TiO₂-Au-CdS三元纳米结构性能的增强主要来源于Z-scheme结构中Au纳米颗粒对活性电子-空穴对有效分离的促进效果。3、Au纳米颗粒光捕获机制在光电化学催化反应中的应用以及性能的研究。Au纳米颗粒表面等离激元诱导的光捕获机制能够增加光在半导体中的光学传输路径,增强光的吸收利用效率。同时,受到光的激发,Au纳米颗粒附近形成高度局域电场,产生的近场能量传递给半导体,促进半导体中光生载流子的分离,使光电催化性能得到有效改善。基于Au纳米颗粒光捕获特性,通过水热法,合成了TiO₂-Cu₂O-Au三元纳米复合结构,探究Au纳米颗粒光捕获机制的应用。在紫外可见光光吸收测试中发现,引入Au纳米颗粒之后,在有效的光吸收波长范围内,TiO₂-Cu₂O-Au纳米棒阵列的吸收强度得到显著的增强。通过光电化学性能测试分析,TiO₂-Cu₂O-Au纳米棒的光电流密度和光电转换效率得到显著的提升,并且优化了传输电阻。经过分析得出,TiO₂-Cu₂O-Au三元纳米复合结构性能的改善主要来源于Au纳米颗粒的表面等离激元诱导的光捕获机制。