氧化亚铜(Cu2O)作为一种窄带系的p型半导体材料,因其价格低廉,无毒性,且可吸收可见光等优点而被广泛应用于光电催化反应中。但其催化性能的提升仍受限于其瓶颈问题。其一,由于材料制备过程中不可避免的缺陷引入,光生载流子会在材料的体相和表相发生严重的复合,导致其实际产生的有效分离电荷数远低于理论值;其二,由于Cu2O半导体材料的氧化和还原电位处在水的裂解电位内,如果光生载流子不能快速地导出、利用,会使Cu2O遭受严重的光腐蚀,导致其稳定性较差。本论文通过构建异质结、担载金属助催化剂等策略来提高Cu2O光阴极的催化活性和稳定性。另一方面,由于Cu2O的可见光吸收性能,将其与n型半导体Ti02复合后可有效提升光阳极光吸收响应范围,并通过构建的异质结实现电荷的有效分离,从而提升光阳极材料的水氧化性能。具体工作如下:1.高效、经济的光阴极的制备是光电催化反应(PEC)面临的重要挑战之一。本工作以电沉积法结合直流磁控溅射(DCMS)和离子交换反应法制备了多层Cu2S/Ni/Cu2O光阴极。扫描电镜(SEM)和能量色散X射线能谱(EDX)结果表明,沉积于内层的镍不仅影响了 Cu2S的形成形貌,同时提高了其生成速率。XPS结果表明,镍主要以NiOx的形式存在,而不是以Ni0的形式存在。光电测试性能表明Cu2S/Ni/Cu2O的光电流比未修饰的Cu20可提升两倍,同时其稳定性也大幅提高。电化学阻抗谱(EIS)、塔菲尔斜率谱(Tafel Slopes)和光致发光谱(PL)等电荷动力学表征表明,Ni可以将产氢反应的决速步提升至以Heyrovsky反应为主,而Cu2S的存在则可以提升其电子空穴分离效率。最后,表面光电压显微镜(SPVM)技术给出了各组分载流子迁移方向的直接证据。结果表明,光生电子将从Cu2O的价带迁移到Ni,而空穴将从Cu2O的导带传输到Cu2S。因此,Ni的加入主要贡献其活性的提升,而Cu2S不仅可以作为电极保护层,同时可以通过富集空穴的方式提升电荷分离效率。这项工作不仅为高性能光阴极材料的构建提供了一种有效修饰方法,并且明确了各组份在光电催化反应过程中的载流子扩散、富集、利用等机理。2.TiO2作为一种n型半导体,因其强的氧化和还原性,好的稳定性,低廉的价格和环境友好而被广泛选作光阳极材料。但由于其具有3.2 eV左右的禁带宽度,导致它仅能吸收占太阳光谱5%的紫外光,从根本上限制了应用。为了解决这一问题,本文首先通过水热法制备出了 TiO2二维的纳米线薄膜,再通过化学沉积法在纳米线薄膜上生长一层Cu2O纳米颗粒,通过控制铜源的浓度来控制Cu2O的担载量。p-Cu2O和n-TiO2耦联,可以使复合电极材料有效吸收可见光,并且由于p-n异质结的存在可以促进光生载流子的分离,使得Cu2O/TiO2复合光电极较单一的TiO2光电极具有更高的催化活性。从电化学阻抗的结果来看,Cu2O的存在会降低电子移动的阻力,加速光生电子和空穴的分离,最终实现高性能光阳极材料的构建。