光电催化水分解是将太阳能转化为高能量密度、可储存和清洁无污染的化学能源氢气的过程。这种将可再生能源取代化石燃料来解决全球能源和环境危机的方式具有光明的前景。设计高性能的半导体光阳极是提高光电催化水分解效率的必要手段。同质结或者异质结结构可以显著提升半导体光生载流子分离和传输效率,是一种有效的光电极构建策略。传统的同质结或者异质结设计绝大多数都只考虑能带的匹配和费米能级的匹配等。然而同质结的电荷输运和光吸收能力等体相层优势如何与表面反应动力学和电荷转移等表层特性协同增强光电催化水分解能力,还缺乏深入的研究。Fe2O3是禁带宽度在1.8-2.3 e V的窄带隙半导体,可吸收大部分可见光。然而,Fe2O3的少子迁移率(＜0.2 cm~2 V-1 s-1)导致了严重的光生载流子复合,降低了体相电荷传输。同时,Fe2O3的表面态对光电化学性能也有显著的影响。有研究表明,从FeⅢ-OH到FeⅣ=OH的界面反应是赤铁矿表面水氧化速率的限制步骤。因此,协同调控Fe2O3同质结的体相电荷输运和表面电荷转移可提升其光电化学水氧化能力。基于此,本文系统的研究了Ti掺杂对Fe2O3体相电荷输运和表面电荷转移的调控作用,进一步设计了结合小极化子输运增强和表面态优化的Fe2O3同质结光阳极。研究内容及结果如下:1.通过溶剂热的方法分别合成了Ti掺杂和Zn掺杂的Fe2O3纳米晶,进行了形貌和结构表征,证明了Ti和Zn掺杂的Fe2O3是直径为～150 nm的多孔纳米颗粒。通过旋涂方法制备了3%Ti掺杂体相层（Ti3）和2%Zn掺杂表层（Zn2）的Fe2O3Ⅱ型同质结光阳极（Ti3＆Zn2）。实验结果表明,该同质结在1.23 V vs.RHE的光电流密度达到0.78 m A cm-2,显著高于3%Ti掺杂的Fe2O3(0.57 m A cm-2),并且起始电位左移了40 m V。2.研究发现,与Ti3光阳极相比,Ti3＆Zn2同质结的平均光生电子转移时间显著提升,而表面电荷转移动力则有所降低。这表明Ti3＆Zn2同质结性能提升的主要原因是由于体相内建电场提高了光生电荷的分离,而表面水氧化动力学仍有待进一步优化。3.进一步解耦Ti掺杂Fe2O3同质结为体相层和表层。通过小极化子输运模型探究不同浓度Ti掺杂对Fe2O3体相电荷输运的影响;通过表面转移动力学研究了不同浓度Ti掺杂对Fe2O3表面电荷转移的影响。发现3%的Ti掺杂显著减小了Fe2O3小极化子跳跃能垒,促进了体相电荷输运;5%的Ti掺杂显著钝化Fe2O3复合表面态,促进表面空穴转移到长寿命的反应中间体,提高了表面电荷转移能力。构建了3%＆5%Fe2O3同质结,该同质结光阳极在1.5 V vs.RHE展现出1.27 m A cm-2光电流,比传统的二型同质结表现出了更高的光电化学水分解能力。