随着能源危机和环境问题的日益严重,寻找一种新的绿色持续的能源解决方案迫在眉睫。近年来,以太阳能作为能量来源,氢气作为能量储体,水作为生产原料的人工光合作用能源转换方案受到广泛关注。光电化学电池分解水系统（Photoelectrochemical cell,PEC）,利用半导体材料在光照下产生光生载流子的特性,可以直接利用太阳能分解水,转化为氢能,是目前最为环保以及有前景的产氢技术之一。本论文将围绕BiVO₄半导体材料的合成制备,改性策略,以及作为光电化学电池的光阳极在光电解水中的实际应用进行了系统的研究。相比只能利用紫外光的宽带隙半导体材料,钒酸铋基光阳极在光电化学电池中成功实现利用可见光分解水制氢,获得更高的光电转换效率。主要取得以下的研究成果:1、成功合成并制备了NiO/BiVO₄异质结光阳极。经过NiO的负载后,BiVO₄的光电化学分解水性能得到了提高。NiO/BiVO₄异质结光阳极的光电转换效率达到0.72%,为纯BiVO₄光阳极的4.8倍。实验表明,NiO的负载可以促进BiVO₄体相电子空穴对的分离,同时改善其表面的析氧动力学。在0.6 V_RHE时,纯BiVO₄光阳极的体相电荷分离效率为51%,NiO/BiVO₄光阳极提升到65%。在1.23 V_RHE时,纯BiVO₄的表面电荷转移效率为19%,NiO/BiVO₄光阳极达到了59%。通过体相电荷分离与表面电荷转移的协同效应,BiVO₄光阳极的光电化学性能得到显著提升。2、设计了基于BiVO₄半导体材料的串联双光阳极系统,同时提升了光吸收性能与缩短了电荷传输路径。成功制备了两种不同纳米结构的BiVO₄光阳极:高透过率的TBVO电极和吸光性好的NBVO电极。通过控制电沉积薄膜的时间,得到TBVO和NBVO光捕获性能和电荷分离效率协同的优化。在1.23 V_RHE时,TBVO和NBVO的光电流密度分别达到了1.98 mA cm^-2和2.11 mA cm^-2。进一步利用两种BiVO₄光阳极不同的光学特性,设计了串联双光阳极系统,前置TBVO电极/后置NBVO电极的组合光电流密度达到3.03 mA cm^-2。通过对串联双光阳极进行助催化剂负载,改善了光阳极表面的产氧动力学,最终使得整体系统的光电转换效率达到了1.49%。