氢能具有高效、清洁、无污染等优点,被认为是最为理想的清洁能源。随着能源短缺和环境恶化的日益加重,利用氢能来替代当前的化石能源也就成为未来能源发展的必然趋势之一。作为获取氢气的重要手段之一--光催化分解水制氢--自从1972年被首次实现以来,虽几经低迷,但人们一直没有停止过这方面的探索。本世纪科学技术的重大成就之一就是纳米制备技术的巨大进步,它为发展高效纳米结构光催化剂制氢的研究带来新的希望。寻求低廉、高效的可见光光催化剂一直是人们努力的目标。近年来,人们对于利用低带隙、廉价的硅材料制氢产生了浓厚的兴趣,也逐步认识到基于纳米结构硅的复合结构光催化剂在制氢应用中的巨大潜力。本论文的研究正是围绕高效硅纳米线基复合结构光催化材料的构筑及其光电化学水分解性能研究展开的,论文主要有以下三个部分:(一)硅纳米线的金属辅助化学刻蚀制备及其光催化性能研究。硅是一种重要的半导体材料,作为光伏领域的主流材料,硅的带隙很小(~1.12 e V),能宽范围吸收太阳光。然而,由于其带边位置比较接近氢的还原电位,所以,单纯的硅的产氢能力很弱。另一方面,硅在电解质溶液里面很容易被腐蚀,从而进一步限制了它在光催化制氢领域里的应用,一般需在电解质溶液中加入适当的牺牲剂。基于此,人们通过外加偏压,或贵金属(Ag,Pt等)负载来提高硅的产氢能力。本文首先详细介绍了金属辅助化学刻蚀硅纳米线的原理及过程,总结了文献中关于硅腐蚀过程的相关模型。然后采用金属辅助化学刻蚀的方法制备硅纳米线,并通过研究进一步证实了金属颗粒形貌与刻蚀出的硅纳米线形貌之间的紧密关系。接下来在0.5 M K2SO4电解质溶液中(p H=1)研究了不同长度的硅纳米线的光电流大小关系。测量结果表明,随着硅纳米线长度的增加,光电流逐渐增大。在对硅纳米线进行旋涂钼酸铵并通过简单的退火处理实现助催化剂Mo Sx的包覆后发现,其光催化性能得到明显提高。(二)Si NW/Cu2O复合纳米异质结的构筑及其光学特性与光催化制氢性能研究。Cu2O是一种十分廉价的p型半导体,在太阳电池、传感等领域都有着广泛的应用。由于Cu2O带隙较小,能很好地吸收可见光,因此在光催化水分解制氢领域也有许多的研究报道。本文通过采用简单的无电沉积技术实现了将Cu2O纳米晶沉积到硅纳米线上得到很好的Si NW/Cu2O异质结阵列。纳米晶的形貌可以通过调节溶液的p H值来实现由立方体向多面体的有效转变。得到的异质结阵列不仅具有良好的可见光光吸收能力,还展现出了新颖的光学特性。比如,红外活性模(IR)被激活,核壳之间的相互作用使得硅纳米线的光致发光峰展宽,且异质结在615 nm处出现了一个新的发光峰等。此外,虽然异质结阵列的光吸收能力稍逊色于硅纳米线,但由于异质结的形成,加速了光生载流子的分离与输运,减少了光生电子-空穴对的复合,因而光催化产氢能力比硅纳米线有了显著提高。进一步地,通过电沉积技术在异质结上电沉积Pt纳米粒子后发现,负载后的Si NW/Cu2O异质结的光催化制氢能力进一步得到了明显改善。这一工作为使用溶液过程方法构筑纳米异质结提供了新的思路。(三)Si NWs/Cd1-xZnx S-r GO复合结构及其他硅纳米线基复合结构的构筑与光电化学性能研究。固溶体是近年来备受关注的一类具有可见光响应能力的半导体材料,因为它的带隙可以通调节组分实现有效调控,从而满足特定的需要。本部分经调节水与有机溶剂的比例,通过一步溶剂热路线制备出具有微纳结构的三维高效Cd1-xZnx S固溶体光催化剂。这种三维微纳结构将极大地提高催化剂的光吸收能力,从而有效提高其光催化活性。XRD和Raman表明,得到的是Cd1-xZnx S固溶体,而不是其前驱反应物Cd S和Zn S的混合物。并且固溶体的结晶性好,有序度高。进一步地,通过实验找出了具有最佳光催化活性的x值(~0.75)。众所周知,石墨烯是一种十分奇特的材料,其复合物在许多领域里的应用都有广泛的研究。本文通过化学方法制备出了Cd0.24Zn0.75S-r GO纳米复合物,并将其旋涂到硅纳米线上构成Si NW/Cd0.24Zn0.75S-r GO复合结构,然后在450℃下作真空退火处理,该复合结构显示出了良好的光电化学性能。此外,Mo Sx是一种效果很好的电催化材料,将有望成为替代贵金属铂(Pt)而被广泛使用的一种助催化剂。而P25是一种已经商业化的性能稳定的光催化剂。本部分还通过化学途径制备出Mo S2-r GO和P25-r GO纳米复合物,并进一步构筑出Si NWs/Mo S2-r GO和Si NWs/P25-r GO复合结构,对它们进行了相关的表征后研究了它们的光电化学性能。测试结果表明,这两种复合结构相对于硅纳米线的光电化学性能都有明显提高。从而进一步拓宽了硅纳米线基复合结构在光催化水分解领域里的应用。