随着21世纪能源短缺和环境污染两大世界性难题日益凸显,全世界正经受着前所未有的巨大挑战,积极探索并开发地球储量丰富、低成本、无毒无污染、绿色环保型的可再生清洁能源是有效解决人类生存环境继续恶化的有效途径之一,具有长远性和战略性的意义。氢气是一种高能量密度的可再生清洁能源,因便于存储、运输且适用性广等优点而备受关注。光电催化技术被评为是最廉价、高效、便捷、可持续应用的先进型技术手段,通过光阳极和光阴极的氧化/还原反应快速地将太阳能转化为化学能并以化学键的形式存储,该过程类似于自然界中的光合作用。光电催化过程中,光电极的高效性、稳定性和重复性是当前科学研究的热点问题之一。半导体光电催化主要涉及光的吸收、光生载流子的分离和迁移、表界面氧化/还原反应等过程,故光电极结构需具有宽光谱响应、快速载流子分离和迁移效率及高效表面化学反应等特点。在诸多半导体材料中,IV-VI族化合物SnS₂和SnSe₂因其独特的层状结构而具有载流子迁移率高、对紫外-可见-近红外光响应性能好及光电催化效率高等特点,在光电催化领域中展现出巨大的潜力及应用前景。本论文构建了多种高效结构的SnX₂（X=S,Se）基光阳极,通过优化形貌、调控晶面、构建异质结、引入缺陷能级等策略拓展光电极的光谱吸收范围、增强光的捕获能力、加速光生载流子的分离和迁移速率、促进电极/电解液界面反应速率,提升光电极的光电催化效率,进而厘清光生载流子的传输机制和光电性能增强机理。探究SnX₂（X=S,Se）基光阳极在能源和环境等实际应用中的催化性能,分别将SnS₂和SnSe₂基光电极应用于光电催化分解水和光电催化降解有机物污染物（MB,Cr（VI）和RhB）等方面。具体的创新性研究内容如下:（1）通过阳极氧化法和溶剂热法将2D SnS₂ NSs和1D TiO₂ NTs结合构建了新颖的2D/1D SnS₂ NSs/TiO₂ NTs光阳极用于光电催化分解水。外加1.23 V（vs.RHE）电压时,溶剂热温度为180 ^oC制备的2D/1D SnS₂ NSs/TiO₂ NTs（ST-180）异质结光阳极的光电流密度约为1.05 mA cm^-2,是纯TiO₂ NTs(0.23 mA cm^-2)的4.6倍。ST-180光阳极光电催化分解水产生H₂和O₂的速率分别为47.2和23.1μmol cm^-2 h^-1,其相应的法拉第效率分别为80.1%和78.3%。经分析其光电性能增强的主要因素源于:（1）表层“光陷阱”状2D SnS₂ NSs减少光在材料表面的反射和增加光的传输路径,实现对光的高效捕获和增强对光的吸收效率;（2）底层“电子传输通道”状1D TiO₂ NTs可以有效地实现光生电子定向快速传输,增强电子的迁移效率;（3）2D/1D SnS₂ NSs/TiO₂ NTs异质结界面的内建电场E_ξ则可以促进光生电子-空穴对的分离效率,协同促进2D/1D SnS₂ NSs/TiO₂ NTs异质结实现高效光电催化分解水。该工作为新型异质结架构的设计提供了新的研究思路和实验基础。（2）结合溶剂热和原位氧化法创新地构建了强氧化性0D/2D SnO₂ NPs/SnS₂ NSs阶梯异质结（S-type）用于光电催化分解水。在N₂/H₂（95:5）气氛中,400 ^oC退火后2D SnS₂NSs（SS-400）的表面和边缘出现适量0D SnO₂ NPs,其光电性能和光电催化分解水效率得到显著地提升。外加1.23 V（vs.RHE）电压时,SS-400的稳态光电流密度为0.33 mA cm^-2,分别是SS-300(0.17 mA cm^-2)和SS-500(0.27 mA cm^-2)的1.9和1.2倍。SS-400光阳极光电催化分解水时产生H₂和O₂的速率分别为5.5和2.7μmol cm^-2 h^-1,相应的法拉第效率为89.4%和87.7%。综合分析可知催化性能增强因素是0D/2D SnO₂ NPs/SnS₂NSs异质结以新颖的S型载流子传输机制促进SnO₂的CB中还原能力弱的电子和SnS₂的VB中氧化能力弱的空穴复合,进而促使SnO₂的VB中氧化能力强的空穴和SnS₂的CB中还原能力强的电子迅速分离,故SS-400光阳极具有强氧化特性,增强了表界面的化学反应速率。（3）利用Al₂O₃对可见光高反射率和缺陷能级作用巧妙地增强Al₂O₃/SnS₂复合异质结的光吸收特性和载流子迁移特性。通过研究Al₂O₃含量对Al₂O₃/SnS₂异质结的光学性能、光电性能及光电催化性能的影响,对其载流子传输机制和性能增强机理进行剖析。经测试,Al₂O₃质量比为11%-Al₂O₃/SnS₂（AOSS-11）异质结的光电特性和光电催化降解MB性能最佳。在可见光和外加0.49 V（vs.Ag/AgCl）电压时,AOSS-11的光电流密度约37μA cm^-2及催化降解率85.9%,分别约为SnS₂的1.23和1.18倍。经分析其光电性能增强的主要因素是:（1）Al₂O₃对可见光具有很高的反射率（～98%）,在Al₂O₃和SnS₂配比合适时有利于促进Al₂O₃/SnS₂复合异质结对光的多次反射和吸收,提高光的利用效率;（2）Al₂O₃的缺陷能级有效捕获光生电子,提高光生电子-空穴对的分离效率;（3）Al₂O₃增大了Al₂O₃/SnS₂复合异质结的比表面积,增强界面载流子的迁移效率及反应速率,进而实现高效稳定的光电催化降解MB。（4）基于SnSe₂宽光谱响应特性,采用化学气相沉积法制备高结晶2D SnSe₂/FTO光阳极,研究基底FTO与SnCl₄·5H₂O之间的距离d和载气流速f对2D SnSe₂纯度和结晶度、（001）/（101）晶面暴露比的影响,进而探索其光电催化同时降解RhB和Cr（VI）性能。外加1.23 V（vs.RHE）电压时,2D SnSe₂/FTO（d=10 cm,f=50 sccm）光阳极光电流密度分别为0.32（全光谱）和0.24（λ≥420 nm）mA cm^-2,而且最大偏压-光电转换效率为0.04%,是2D SnSe₂/FTO（d=12 cm,f=50 sccm）的2.4倍。经测试揭示2D SnSe₂/FTO光阳极光电性能增强主要因素是:（1）2D SnSe₂/FTO光阳极的纯度和结晶度;（2）Se^2-缺陷使SnSe₂的带隙减小,拓宽光谱吸收范围至近红外光波段;（3）SnSe₂的价带缺陷有效捕获空穴,增强光生载流子的分离效率;（4）Se^2-缺陷提供更多的反应活性位点,加速表界面化学反应速率;（5）SnSe₂合适的（001）/（101）晶面比。该工作为制备高结晶2D SnSe₂/FTO光电极提供了重要的实验基础,具有一定的科学参考价值。（5）结合TiO₂ NTs定向传输特性及Se和SnSe₂宽光谱响应特点,创新地构建出宽光谱响应的Se/TiO₂、SnSe₂/TiO₂和Se/SnSe₂/TiO₂多重异质结,并将其应用于光电催化降解RhB和Cr（VI）混合溶液,探究各结构之间载流子传输机制和光电催化降解机理。通过对光学、光电及催化性能测试,外加1.23 V（vs.RHE）电压时Se/SnSe₂/TiO₂多重异质结的光电流密度为0.94 mA cm^-2,分别是纯TiO₂ NTs、Se/TiO₂、SnSe₂/TiO₂异质结的1.7、1.4和1.3倍。Se/SnSe₂/TiO₂多重异质结光电催化同时降解RhB和Cr（VI）混合溶液的最佳效率分别为95.3%和72.6%。经分析Se/SnSe₂/TiO₂多重异质结光电催化性能增强的主要因素是:（1）拓宽吸收光谱范围且提升吸收强度,增强光吸收效率;（2）激发更多的光生电子-空穴对且延长载流子寿命;（3）界面内建电场E_ξ提升光生载流子分离效率;（4）比表面增大且活性位点数目增多,加速界面化学反应速率。