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光电催化是指直接利用太阳能驱动化学反应的一门技术,因而是一种理想的环境污染治理和洁净能源生产技术。目前光电催化领域的研究主要集中在高效光电催化剂的开发。其中,如何提高光电催化剂在光照下光生电荷的分离和氧化动力效率是该技术的关键所在。本论文结合当前光电催化领域研究的新动向,以提高半导体电荷分离和氧化动力效率为出发点,选取BiVO4和Fe2O3等窄禁带半导体作为研究对象,采用电沉积、水热法、溶剂热法和退火煅烧等相关手段,分别从电极结构优化、组分掺杂、空穴传输层及内建电场等几方面系统研究了光电极的光电催化分解水反应动力的相关问题,深入探讨了其电荷分离特性和氧化动力学等光电化学领域的本质问题。本论文的主要研究内容如下:1.采用电沉积的方法在FTO上制备了由致密层和介孔层构成的双层BiVO4光阳极。通过光电化学测试发现,优化后的双层BiVO4（BV-DL2）光阳极在AM 1.5G的照射下,当偏压为0.6 V vs.Ag/AgCl时,产生的光电流为1.15 mA/cm2,远高于单层致密和多孔结构BiVO4光阳极（0.56和0.83 mA/cm2）。光电催化动力学结果表明,双层BiVO4在0.6 V vs.Ag/AgCl下的电荷分离效率分别为47.2%,远高于单层多孔BiVO4（36.8%）。此外,光电极的氧化动力与样品的外层形貌有关,介孔层的氧化动力高于致密层。研究结果表明,双层BiVO4展现出较好的光电化学性能,其原因主要是致密BiVO4作为内层后,减少了在FTO和介孔层BiVO4接触界面上的电子-空穴复合缺陷态,从而降低了部分光生电子-空穴对在界面处的复合问题,提升了光生载流子的传输能力。2.以Na2MoO4和（NH4）2MoO4作为不同Mo源,合成了Mo掺杂的BiVO4光阳极。通过对比不同Mo源和不同掺杂浓度的实验数据,光电催化测试结果表明,以（NH4）2MoO4作为Mo源,掺杂浓度为3%的样品（3AMo:BV）在AM 1.5G的光照下,1.23 V vs.RHE进行水氧化反应时,光电流值达到1.91 mA/cm2,而BiVO4的光电流仅为0.82 mA/cm2。动力学测试表明,掺杂后的样品（3AMo:BV）电荷分离和氧化动力效率在1.23 V vs.RHE下分别为74.42%和49.25%,而未掺杂BiVO4的效率值分别为48.04%和32.98%。机理分析表明,Mo掺杂光阳极的优异催化性能主要归因于Mo掺杂能够产生的较大的四面体离子VO4而引起一定晶体形变,从而增强了载流子的传输能力。此外,掺杂后的BiVO4在光阳极/电解液界面处产生了更高的光电压,有利于提高光生空穴和水的反应动力。3.在BiVO4表面通过溶剂热法生长了双金属氧化物NiCo O2作为助催化剂的光阳极,用于提升光电催化性能。形貌表征结果发现,该助催化剂的尺寸约为10 nm。水氧化动力的测试结果表明,在1.23 V vs.RHE下,光电流从0.85 mA/cm2（BiVO4）提高到了2.34 mA/cm2（NiCoO2/BV）,达到超过175%的光电流增强效果。此外,通过对比未修饰的BiVO4,NiCoO2/BV光阳极在1.23 V vs.RHE下的电荷分离和氧化动力效率分别为61.9%和72.7%,远高于BiVO4（36.5%和43.6%）。该光电极的高光电转化效率主要是因为NiCo O2纳米颗粒能够吸收光生空穴形成Ni4+和Co4+,并促进光生电子-空穴对的分离和转移。4.通过水热法和热处理法在FTO衬底上合成了Fe2O3纳米棒,并通过磷化作用,合成了FeP@Fe2O3核壳结构光阳极。该核壳结构主要由40 nm直径的Fe2O3核和5 nm厚度的FeP壳构成。通过选择最佳的磷化时间（20 min）,在1.23 V vs.RHE的水氧化测试下,FeP@Fe2O3-20光阳极的光电流为0.86 mA/cm2,与Fe2O3相比,提高了3.10倍。同时,FeP@Fe2O3-20的电荷分离和氧化动力效率分别为24.8%和50.6%,高于Fe2O3（11.6%和26.6%）。此外,由于FeP壳作为空穴传输层,光生电子的传输时间降低了30%。机理分析表明,FeP具有较小的表面电势,能够使Fe2O3的能带向上弯曲,从而在FeP和Fe2O3界面处形成内建电场,提高了光阳极的电荷分离和迁移能力。5.设计并开发了一种用于光电化学分解水的铁电-半导体混合结构电极模型。选取商业化的Ba TiO3和LiNbO3作为铁电材料,以N型半导体（Ti O2和ZnO）和P型半导体（g-C3N4和Bi2Mo2O9）作为光电材料,使用不同质量比例的铁电材料与光电材料相混合,形成铁电-半导体混合光电极结构。通过选择适当的极化偏压（+/-8V）,可以自由地操纵铁电的极化方向,从而对混合光电极光生载流子的传输方向和速率进行调控。在365 nm入射光照射下进行的水氧化和还原反应结果表明,混合质量分数为3%铁电材料的光电极展现出最优的光电催化性能。结果表明,混合结构光阳极（在1.23 V vs.RHE时）和光阴极（在0 V vs.RHE时）的光电流分别提升了60±5%和85±5%。此外,混合光阳极的电荷分离效率基本保持不变,而氧化动力效率增加了近1.5倍。通过CIMPS分析,光阳极和光阴极的电子传输时间减少了10%15%,证明了加入铁电材料后,其载流子的迁移动力有了极大的提升。分析结果表明,半导体内的极化铁电颗粒可以改变半导体电极空间电荷区的电荷分布,通过极化电压可以有效地控制内建电场的方向,从而调节能带的弯曲方向。因此,定向的极化子可以增强电极表面电荷传输能力。本论文通过对不同的光电极进行研究,探索提升电荷分离和氧化动力效率的方法,该工作可以为今后光电催化材料的设计、制备和催化性能研究提供一定的参考价值,为新型能源器件的合成和构筑提供一定的理论依据和设计理念。