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对人类而言,太阳能是一种无尽的自然能源,实现太阳能的转化与储存是使人类社会摆脱对化石能源过度依赖的可行途径。氢能是一种清洁可再生能源,以最低能耗的方式生产氢能是“氢能经济”这一能源循环体系首先需要完成的目标,而模拟自然界的光合作用进行制氢的方法则是一种很好的解决途径。人工光合作用将光能以化学能的形式储存,是一种高效的太阳能转化与储存的方式。本论文围绕着人工光合作用高效光阳极进行研究,所得主要研究进展如下：1.光电催化水分解反应中的水氧化半反应是一个动力学缓慢的四电子转移过程,是限制能量转化效率的主要因素。我们以近年来关注度较高的α-Fe2O3光阳极作为研究对象,针对α-Fe2O3材料的自身缺陷,有目的性地从纳米结构与表面修饰两个方面进行光电极活性的改善。对常压化学气相沉积法(APO (?)D)进行改良,搭建起cα-Fe2O3的合成装置,并对制备过程的各个环节进行系统的研究,在电极活性与制备参数间建立起对应关系。所得α-Fe2O3具有枝晶纳米棒结构,相比于常规的液相合成法(电沉积法、水热合成法)所得的平整α-Fe2O3薄膜,电极的比表面积显著增加,晶体具有较强的[110]择优取向性,平台光电流密度达1.2 mAcm-2,是目前文献报道中的较高水平。2.文献中对α-Fe2O3的形貌-活性关系尚未有深入的研究,本文以双靶共溅射镀膜与去合金化相结合的方法,在导电玻璃表面构建结构可控且稳定性高的多孔金基底(NPG)。再通过APCVD制备出α-Fe2O3/NPG光电极,α-Fe2O3纳米棒间距相比于普通电极明显增加,电极活明显提升。然而NPG的加入使α-Fe2O3的晶体取向变得杂乱,因此我们借鉴NPG的结构特点,设计一种“金岛”(GIs)基底,并在不同热处理条件下形成尺寸与间距不同的GIs,再获得α-Fe2O3/GIs光阳极,晶体择优取向性恢复到较高的水平,平台光阳极电流密度达2mAcm-2。本研究表明α-Fe2O3光阳极形貌是影响性能的重要因素。3.在α-Fe2O3光电极表面修饰助催化剂是提升水氧化光电极效率的重要途径。近年来,非贵金属氧析出反应(OER)催化剂的研究备受关注。本文比较了Co、Fe、Ni三种活性较高的非贵金属OER催化剂修饰在α-Fe2O3光电极上带来的活性影响,发现好的OER电催化剂并不一定是好的光阳极助催化剂。为了控制助催化剂导致光电极表面态密度增加,减小对电极活性的不利影响,我们采用反应性溅射的方法制备CoOx助催化剂。所得CoOx/α-Fe2O3光阳极的起波电势负移0.184V,与文献报道中活性最高的IrOx修饰效果接近。4. 以氯析出(CER)反应替代OER是一种同时改善阳极反应动力学和提高储能密度的做法。本文以单晶n-Si光阳极作为模型电极,通过反应性磁控溅射方法制备出的RuO2/TiO2/n-Si光阳极,对Cl-氧化具有高的选择性。将这种光阳极应用于电解酸性饱和NaCl溶液,电极能够在较长时间保持稳定；同时,在线电化学差分质谱证明电极反应是CER而不是OER。通过计算,氯电极获得了最大8%的光电转化效率(solar-to-chemical, STC),短路电流jsc与开路电压Voc分别可至35mAcm-2与0.55 V,性能显著优于水氧化光电极,在同类文献报道结果中处于领先水平。5.人工光合作用技术进入实用化之前必须提升光电解池的整体转化效率。为此,我们设计并制作了一种双光电极的流动光合成电解池,对含氯体系制备(H2+Cl2)燃料的光能转化过程进行考察。以纳米线结构的p-Si (p-Si NW)作为光阴极,通过制备条件的优化及修饰Pt助催化剂,获得了与文献结果相当的氢析出(HER)电极活性。将这种光阴极与稳定的TiO2光阳极组合后,两者光谱吸收范围互补,能够将更多的光能转化与储存,最终实现在0 V偏压的条件下完成卤水光解的目标。