全球化石燃料储量的减少和大量化石燃料的不合理使用,造成了严重的能源危机和环境污染,严重破坏了人类的生存环境和经济的健康发展。目前最理想的解决方案之一是通过半导体光催化剂吸收太阳能,高效地将其转化为其他无毒、环保的清洁能源。太阳能通过光催化水裂解可以转化为环保、经济适用的化学能,受到了人们广泛的关注。而光催化水裂解的产氧半反应是一个复杂的四电子反应,产氧速率非常缓慢,是光催化水裂解反应速率的决定步骤。如何利用宽带光诱导产氧半反应过程中的电荷分离和定向传输,以及抑制的光生电荷复合是提高光催化产氧效率的关键问题。目前,大多数光催化剂都是无机半导体材料,它们具有良好的电子迁移率,能够更快地分离光生电子和空穴。然而,大多数无机半导体材料的带隙宽度较大,必须通过紫外光照射才能使得价带电子跃迁。相对于无机半导体,有机半导体具有许多特性,如可以利用化学方法调节其电子和光学性能,结构多样性,来源丰富,成本较低等,并且有机半导体具有很高的消光系数,可以吸收大部分可见光。然而有机半导体材料亦有其缺陷,例如,大多数有机半导体的载流子传输能力较差从而使得光生电子-空穴很容易在传输中发生复合,制约了其在光催化水裂解方面的应用。因此通过有机功能分子修饰无机半导体材料,充分发挥两者间的协同作用,有望提高催化剂的光吸收能力、减少载流子的复合、增强催化剂对载流子的传输能力。本文利用二萘嵌苯-3,4,9,10-四羧酸(PTCAD)作为染料敏化分子,分别制备了二维PTCAD/In2O3纳米片、二维PTCAD/Mn2O3纳米片,着重研究了在复合半导体材料中,有机功能分子对可见光利用率、能带结构、电荷的分离与传输、水氧化性能等方面的影响,为设计优化新型有机-无机复合光催化材料提供了借鉴和指导。论文的研究内容主要包括以下两部分:1.二萘嵌苯-3,4,9,10-四羧酸修饰二维超薄氧化铟纳米片加速光驱动水氧化在本项工作中,我们利用具有大π键共轭结构的二萘嵌苯-3,4,9,10-四羧酸(PTCAD)作为电子供体,减小了光催化剂的禁带宽度,促进了光生载流子的分离和传输,降低了过电位,调控了晶格平面,同时质子耦合电子转移过程得到明显增强,从而使得复合催化剂的水氧化能力大大加强。本项工作以PTCAD为有机功能配体,采用原位合成的方法制备了二维多孔PTCAD/In2O3纳米片。从结构特点和电子效应两方面研究了有机配体PTCAD的作用。从结构上看,低含量的PTCAD对In2O3纳米结构的形貌、比表面积、氧化态和氧空位影响不大。然而,值得注意的是,PTCAD确实影响了晶体的生长取向,其中少量的PTCAD会使得In2O3暴露更多的催化活性晶面,而过量的PTCAD使晶格面钝化。该现象为利用有机分子操纵晶格面取向来构建活性晶面提供了指导。此外,PTCAD含量与禁带宽度、过电位、电荷分离效率等电子效应密切相关。由此可知,适量的PTCAD对提高光催化剂的水氧化能力具有积极地影响。具体来说,负载量为0.5%-1%摩尔比的PTCAD在降低禁带宽度和抑制电子空穴复合方面表现最为突出。PTCAD/In2O3复合催化剂的性能的改进都应该是PTCAD和In2O3纳米片协同作用的结果,例如,In2O3纳米片可以提供限制在二维方向上的高的载流子迁移率、两者间的强键合和电子耦合、较大的热力学驱动力,以及质子耦合电子转移过程的提升等。本工作有助于理解有机功能分子对无机半导体组分的修饰作用以及两种组分之间的协同作用,有助于开发出高效的光催化水氧化材料。2.二萘嵌苯-3,4,9,10-四羧酸对三氧化二锰二维结构的形成及其光电性质影响通过简单水热法,利用PTCAD作为有机功能分子,成功制备了具有二维结构的有机-无机复合光催化剂PTCAD/Mn2O3纳米片。由于PTCAD的调控作用,使得复合材料Mn2O3由原始的不规则块状转变为规则的二维纳米片结构,有助于光生载流子快速传输到固液表面,减少电子空穴复合体,增加比表面积,暴露更多的反应位点。根据一系列不同浓度的PTCAD/Mn2O3纳米片的电化学表征结果可知,适量的PTCAD有机分子对复合材料的过电位的降低,催化剂的电化学阻抗的减小,以及材料的光电流强度的提升等方面发挥了巨大的作用。该项工作对二维光催化剂的合成及有机-无机复合材料的光催化效率的提升具有积极的影响。