以TiO2为代表的半导体光催化分解水制氢是太阳能光化学分解水制氢的有效方式之一。提高半导体光催化分解水制氢的效率,关键是提高对太阳能可见光的利用和抑制光生电子-空穴的复合。针对TiO2半导体光催化分解水制氢存在的太阳能利用率低的问题,本研究借鉴具有较高光电转换效率的染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell,DSSC)的光阳极结构,组装了染料敏化的光催化燃料电池(Photocatalytic Fuel Cell,PFC)制氢系统,通过利用具有良好电子-空穴对分离作用的Ti02宽带隙半导体与能有效吸收可见光的染料相结合,以提高太阳能光-化学能转换效率。　　 在DSSC光阳极结构中,TiO2材料起收集与传输电子的作用,其结构对DSSC的光电转换效率有重要影响。本论文从促进光生电子-空穴对分离、改善电子传输等角度出发,开展氟掺杂氧化锡透明导电玻璃(FTO)衬底上生长不同结构TiO2纳米阵列材料的制备及其改性研究。　　 (1)通过改进金红石结构TiO2纳米棒阵列的水热合成工艺条件,制备了含多壁碳纳米管(MWCNT)的金红石结构TiO2纳米棒阵列薄膜。MWCNT的掺入有利于促进光生电子-空穴对的有效分离和改善电荷收集效率。通过考察其光电转换性能与MWCNT含量的关系,确定了TiO2和MWCNT的最佳原料配比。　　 (2)采用水热合成法制备了Nb掺杂的金红石结构TiO2纳米棒阵列薄膜。Nb的掺杂有利于提高TiO2纳米棒阵列光电极的电子传输效率,因而具有较好的光电催化活性,将该薄膜作为DSSC光阳极材料,有利于提高DSSC的光电转换效率。　　 (3)通过调控钛源、反应介质等水热合成工艺条件,考察了水热合成工艺条件对FTO基底上生长TiO2纳米阵列形貌结构的影响,制备了不同形貌的锐钛矿结构TiO2纳米阵列薄膜。　　 (4)通过对FTO上生长的TiO2纳米阵列薄膜进行NaOH溶液二次水热处理,制备了由巢状纳米阵列及纳米片覆盖层构成的TiO2纳米阵列分级结构一体化薄膜。该分级结构TiO2薄膜具有较强的光捕获能力和染料吸附能力,将其作为DSSC光阳极,可有效地提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率,获得的光电转换效率为2.48%,较TiO2纳米阵列薄膜提高了近10倍。　　 基于太阳能染料敏化电池光阳极结构设计,组装染料敏化光催化燃料电池制氢系统,重点考察了系统中阳极区为不同介质体系时对制氢性能的影响。　　 (1)采用TiO2纳米片/巢状分级结构纳米阵列薄膜为光阳极基底材料,以N719为光敏化剂,组装N719敏化光催化燃料电池制氢系统。在可见光照射下,考察了PFC在阳极区为不同介质体系时的制氢性能。PFC有效光照面积为17.5cm2,阳极区为0.1 mol/L的Na2SO4电解质时的制氢量为67μmol/h;阳极区加入不同的牺牲剂介质后制氢量均明显增加,在KI、三乙醇胺、EDTA、FeSO4、Fe2+-EDTA等介质存在时,获得的制氢量分别达到107μmol/h、165μmol/h、134μmol/h、103μmol/h和384μmol/h。　　 (2)阳极区采用罗丹明B作为模型污染物,考察了光催化燃料电池降解罗丹明B制氢的影响因素。PFC系统中,罗丹明B染料废水在可见光照射下于TiO2光阳极上发生可见光光敏化降解和分解水制氢反应。本研究为利用PFC同步完成太阳能降解有机染料废水和太阳能制氢的实际应用提供了切实可行的依据。