太阳能作为一种清洁的能源形式因其丰富的储量受到人们广泛的关注。而氢气因为其能量密度高,可储存,可运输,燃烧产物无污染等特点是理想的清洁能源。通过光催化技术分解水将太阳光能转化为氢气化学能是解决当前社会发展面临的能源和环境问题的有效途径之一。然而光催化技术实现真正的工业化应用仍面临着巨大挑战。其中,光生载流子的复合带来光催化效率过低成为制约该技术发展的瓶颈问题。因此,如何进一步提高光催化剂的催化效率是当前材料科学研究中的热点课题。其中,构筑半导体异质结被视为实现光生电子和空穴分离的有效手段,不同材料组合形成的异质结构也不断涌现。然而,电荷在异质界面的转移过程不仅受到半导体费米能级影响,更与暴露晶面、缺陷结构等密切相关。如何对界面电荷行为进行调控,获得催化性能的有效提升,成为未来研究的重点方向。本文通过构筑晶面异质结,研究缺陷调控、多电场协同、助催化剂负载等手段对光生电荷分离的影响,并探索催化剂在分解水产氢反应中的应用。主要研究内容如下:(一)基于缺陷型ZnO/BiVO4晶面异质结构筑多电场协同光催化剂用于分解水产氧半导体不同晶面间的能级差异为构筑界面微观电场提供了有利条件,如何通过催化剂电子结构调节强化电场对电荷的分离作用,仍是亟待解决的重要问题。为此,研究通过在BiVO4晶面催化剂表面负载ZnO纳米棒阵列,构建纳米ZnO/BiVO4晶面异质结,借助多电场调制策略实现电荷的有效分离。研究表明,晶面效应促使BiVO4在光激发下呈现出自发的电荷分离现象,光生电子和空穴分别聚集于BiV04的{010}和{110}晶面。而ZnO纳米棒的极性使得电荷传递呈现出各向异性,电子沿c轴快速传输使得光生电子和空穴得到了有效分离。界面缺陷对于电荷的界面转移过程具有重要影响,在异质结催化剂中引入氧空位后,BiVO4{101}晶面和所负载的ZnO缺陷能级间表现出Z型复合机制。在Z型电荷转移过程和晶体催化剂光生内建电场的协同作用下,催化剂在可见光下氧化水的能力获得了数量级的提升,实现了 68 μmol h-1的产氧速率。在450 nm处所测得的量子产率为5.0%,相比于BiVO4提高了一个数量级,其对污染物的降解也得到了极大的提升。(二)基于缺陷调控的Cu20/TiO2晶面异质结用于光催化分解水产氢Cu20被视为极具应用前景的高活性可见光催化剂,然而光腐蚀现象带来的稳定性问题仍是制约其在催化反应中应用的主要问题。如何通过异质结设计和电子结构调控构筑高效、稳定的铜基复合光催化剂,仍是有待开发的新领域。为此,研究选取了暴露{001}和{101}晶面的TiO2光催化剂作为载体,将Cu2O负载到TiO2的两个晶面构筑异质结光催化剂。通过引入氧空位对异质结缺陷结构进行调控,以期在提升电荷分离效率的基础上获得理想的光化学稳定性。研究表明,缺陷工程和晶面协同策略使TiO的{101}晶面光生电子与Cu2O带空穴间的Z型复合,可以有效避免光生空穴在氧化亚铜聚集引起的光氧化生成氧化铜副反应。在获得长达32小时的反应稳定性的基础上,异质结催化剂在全光谱下的产氢速率达到32.6 mmol h1 g-1,为基于Z型电荷复合开发高性能光催化剂提供了崭新方法。(三)单原子助催化剂负载的TiO2晶面光催化剂用于分解水产氢通过贵金属助催化剂负载构筑肖特基结,是提升光生电荷分离的有效手段。单原子助催化剂负载,不仅可心为催化反应提供更多活性位点,也为降低催化剂成本提供了新途径。为此,研究探索了单原子Au和Pt助催化剂在{001}和{101}晶面TiO2表面的负载,考察了异质界面对其光催化分解水性能的影响。研究表明,半导体和贵金属之间形成的肖特基结可以有效地捕获光生电子,从而抑制电荷载流子的复合,有效的提高了光催化效率。结合了晶面和单原子助催化剂的优点,Pt/Ti02-001显示出高效的光催化活性,最大产氢速率达到21.9 mmol h-1“g-1。该研究为单原子辅助Ti02基光催化剂在光催化中的应用提供了新的思路。