近年来由于环境恶化，引起气候逐渐变化，全球变暖和温室效应日益严重，因此人类及地球生物圈面临巨大挑战，尤其是温室效应使得人们对二氧化碳转化问题投入了巨大人力物力。目前发展清洁可再生能源已经引起世界广泛关注，其中水分解制备氢气和氧气尤其重视。光电产氢旨在光能转化为化学能，与电催化产氢相比具有更低的过电位。该方法以半导体螯合催化剂作为光阳极，在阴极产生氢气（本文通过阳极光电流密度可以估算阴极产生的氢气量）。其中α-Fe2O3是众多半导体中较为合适的一个。纳米Fe2O3电极因为具有合适的带隙（Eg=2.1eV),故而它可以利用太阳光中大部分的可见光。纳米Fe2O3电极虽然具有价带能级合适、稳定性好、含量丰富等优点，但是由于它的体相载流子寿命短（<10ps),、空穴扩散距离小（4-20nm),因此体相电荷分离效率低；另外，由于它的导带能级比析氢电位正，故而电极表面析氧动力学差，水分解需要额外电压（小于400mV）；并且由于高温煅烧后纳米Fe2O3电极表面低浓度氧空位形成表面态，故而表面空穴注入效率低。因此，对纳米Fe2O3电极体相和表面进行修饰是提高其光催化效率的关键，为应对能源危机和环境问题具有重要的意义。　　本文第二章中，我们利用各种制备方法、各种掺杂技术制备了纳米Fe2O3电极，并比较了不同的制备方法和离子掺杂对纳米Fe2O3电极起始电位（光电流密度为0.02mA/cm2处的电位）的迁移、光电流密度的提高的影响，发现水热法+Ti掺杂仍然是制备具有高光活性的纳米Fe2O3电极的好方法。　　在第三章中，我们利用水热法制备了纳米Fe2O3电极，并对其进行体相（Ti掺杂）和表面（NiPi/CoPi包裹)修饰，比较这两种修饰方法对Fe2O3电极光电流密度及起始电位等性能的影响。我们发现与未掺杂的Fe2O3电极相比，0.05％Ti掺杂的Fe2O3电极在1.23V vs RHE处光电流密度提升到3.8倍，虽然Ti掺杂提高了Fe2O3电极导电性、光电流密度，减小了电极/电解液界面电荷转移电阻，也提高了Fe2O3电极在高电位范围的体相载流子分离效率、表面空穴注入效率（电极表面空穴催化水分解效率），但是0.05%Ti掺杂的Fe2O3电极在低电位处的光电流密度、载流子分离效率、空穴注入效率比纯Fe2O3电极更低。　　于是在本章中我们利用新开发的滴涂沉积-光电化学调控方法在Ti掺杂的Fe2O3电极表面包裹一层4-6nm的NiPi薄膜,与纯Fe2O3相比，在1.23V vs RHE处光电流密度提升到4.4倍,纯Fe2O3电极包裹NiPi薄膜后光电流密度提升到1.7倍。与NiPi薄膜包裹的Ti掺杂Fe2O3电极相比，包裹CoPi膜的Ti掺杂的Fe2O3电极在高电位范围的光电流密度没有显著提升，在低电位范围光电流密度更小。我们发现NiPi薄膜包裹后Fe2O3电极在低电位范围的表面空穴注入效率被提高。Ti掺杂和NiPi薄膜包裹具有协同效应，提高了Fe2O3电极在整个测试电位范围的空穴注入效率，开路电位衰减测试进一步表明Ti掺杂和NiPi薄膜包裹抑制了Fe2O3电极表面电子-空穴的复合。　　我们发现低浓度Ti掺杂和NiPi薄膜包裹对Fe2O3纳米棒阵列形貌没有明显影响，从而没有明显改变Fe2O3纳米棒阵列厚度；并且Ti掺杂后Fe2O3电极低电位下光电流密度（电解液添加双氧水）更小，证明低电位下体相过多的载流子自动复合，因此NiPi/CoPi包裹的Ti掺杂Fe2O3电极在低电位范围的光电流密度的提高得益于电极表面载流子寿命的提高，瞬态电流动力学进一步证明NiPi薄膜包裹提高了低电位（0.9V vs RHE)下Ti掺杂的Fe2O3电极表面载流子寿命，莫特-肖特基测试表明Ti掺杂和NiPi/CoPi薄膜包裹有可能通过抑制Fe2O3电极表面态提高光催化效率，而循环伏安测试表明Ti掺杂的Fe2O3电极与纯Fe2O3相比表面有更多氧空穴，证明纯Fe2O3电极表面低浓度氧空穴形成表面态，表现为消极的效应，使大部分电子空穴复合，阻碍了Fe2O3电极光催化效率的提高，而Ti掺杂后在Fe2O3电极表面形成了相对丰富的氧空穴，这使得Fe2O3载流子浓度提高，有利于高电位下电极表面空穴注入效率的提高。NiPi薄膜包裹层具有抑制Fe2O3电极表面态的优点，CoPi包裹层不具备这个性能。与CoPi相比，NiPi薄膜包裹的Ti掺杂Fe2O3电极具有更低的光电流起始电位。因此NiPi薄膜包裹层在提高Fe2O3电极光电解水活性方面是一个CoPi的替代品。　　在中性海水（pH=7-8)中进行的光电解水是一种理想的途径。近几年，海水中PO43-含量日益上升（达到μM数量级），而半导体电极上包裹的催化剂质量的数量级多在μg/cm2级别，二者匹配的数量级意味着如果电极表面能吸附PO43-, PO43-将迅速被吸附。而最近文献报道显示氢氧化镍电极在模拟太阳光下中性磷酸盐缓冲溶液中陈化将很快吸附PO43-，但是吸附后却阻碍葡萄糖的氧化。中性环境下α-Fe2O3的析氧动力学低，需要加入捕获空穴的牺牲剂比如葡萄糖等来提高光电流密度。我们为了模拟在富含磷酸根的中性电解液中加入高浓度葡萄糖后长时间光电解水产氢效果，在中性磷酸盐缓冲溶液中加入低浓度葡萄糖，为了考察磷酸根吸附对葡萄糖氧化的效果，将Fe2O3/NiPi电极浸入中性磷酸盐缓冲溶液中一段时间，确保吸附足够的PO43-，然后执行线性伏安扫描测试。在整个测试范围内光电流没有上升，证明高浓度的葡萄糖加入后不能被充分氧化，会造成浪费。最近报道显示Ni-O-P化合物能够氧化甲醇，测试显示电解液中加入甲醇后吸附PO43-的Fe2O3/NiPi电极光电流密度明显提升，这说明与葡萄糖相比，甲醇在提高吸附磷酸根的Fe2O3/NiPi电极光电流密度和节约物资方面是更合适的牺牲剂。