氢能源作为一种清洁可持续能源,被国际公认为是下一代发展的新能源,氢能源的大规模生产现在主要依赖于蒸汽重整或气化化石燃料,但是,这两种方法都不环保可持续。利用太阳能进行光催化裂解水制氢被认为是未来产生氢能源的有效手段。在过去四十年里,人们在开发新型半导体光催化剂方面做了大量工作,数百种半导体材料被研究。其中,复合异质结光催化剂能够有效改善单一半导体光催化剂光吸收范围窄、光生载流子复合效率高、表面缺少催化产氢活性位点等缺点,因此复合异质结的构筑在光催化产氢领域受到许多科研人员的关注。复合异质结的界面结构设计对光生载流子的传输行为起着十分关键的作用,构筑高效复合异质结一方面可以促进光生载流子在复合异质结界面间的顺利传输;另一方面,可以通过合理地设计异质结界面,调控界面原子排布,为催化剂增加产氢活性位点,实现无Pt助催化剂情况下光催化裂解水产氢的目的。本论文通过原位硫化技术,基于双金属氧化物锗酸锌(Zn2GeO4)和类石墨相氮化碳(CN),构筑了系列复合光催化剂,分别探讨了原位硫化过程中Zn2GeO4-x/ZnS界面结构演变和原位硫化技术在构筑ACN/Ag/Ag2S异质结上的优越性,揭示了 Zn2GeO4-x/ZnS和ACN/Ag/Ag2S复合异质结在无Pt助催化剂条件下光催化裂解水产氢的机制。第一章绪论首先介绍了半导体光催化剂的研究背景和发展历史,以及光催化裂解水产氢的基本原理和制约其催化效率的主要因素。其次,阐述了复合材料结构设计及可控制备的研究现状及问题和界面结构演变对载流子传输和催化性能的影响机制。然后介绍了无贵金属Pt助催化剂的催化研究现状及进展,最后阐述本研究工作的选题思想和研究内容。第二章通过原位刻蚀硫化Zn2GeO4,成功构筑了Zn2GeO4-x/ZnS异质结。利用原位刻蚀硫化技术,调控Zn2GeO4纳米棒中表面元素的迁移和析出,致使界面结构重构以及缺陷空位的形成。一方面,重构界面能够增强催化剂组元之间的紧密复合,促进了Zn2GeO4-x/ZnS异质结之间的光生载流子传输;另一方面,刻蚀硫化过程中,Zn2GeO4纳米棒的表面从平坦的(100)晶面演变为分别带有催化活性中心Ge3c4+的(110)和Ge3c3+-Vo的(113)晶面组成的粗糙拓扑结构,利用界面重构和缺陷调控之间的协同效应,在无贵金属Pt助催化剂条件下提高了光催化剂的产氢性能。其中,ZGO/ZS-0.02异质结的光解水产氢效率达到533 μmol h-1 g-1,分别是纯相Zn2GeO4和ZnS的5倍和7倍。本工作通过原位刻蚀硫化进行界面结构设计,构筑了具有拓扑结构的复合异质结,实现了无贵金属Pt助催化剂的光催化裂解水产氢活性,为设计高效催化剂提供了新策略。第三章针对CN材料导电性差、光响应范围窄、表面缺少催化产氢活性位点等问题,对CN材料进行金属元素掺杂和构筑复合异质结来改善其催化性能。首先,通过元素Ag掺杂,将CN层内结构单元庚嗪环打开,成功引入接受电子基团-C≡N,促进了 CN层内光生载流子的分离;同时,掺入CN层间的Ag增加了 CN材料的导电性。然后在光催化剂表面沉积Ag,有效地拓宽了光的吸收范围。最后对其进行化学气相沉积原位硫化,成功构筑了 Ag2S充当助催化剂的ACN/Ag/Ag2S异质结。其中,ACN/Ag/Ag2S-l的光裂解水产氢速率可达105 μmol h-1 g-1,是纯相CN的6倍。本工作对催化剂进行层间/层内掺杂Ag,表面沉积Ag,原位硫化,构筑了具有不同化学态Ag的复合异质结,实现了 Ag在CN催化剂中不同物种、不同作用的调控,并利用其协同效应促进了可见光催化裂解水产氢性能。第四章为本论文的研究结论,归纳了研究创新点,并对下一步工作进行了展望。