光催化分解水制氢被认为是解决环境及能源问题的最具前景的方法之一,二氧化钛作为最传统的光催化剂,具有良好的化学稳定性、环境友好性和低成本,但是Ti O₂本身的缺点限制了其光催化应用,例如带隙较大无法吸收利用可见光,单相Ti O₂材料内部的载流子复合严重,导带位置略低不能直接发生分解水还原生成氢气的反应等。针对这些问题,对Ti O₂的结构形貌、表面性质,光电性能等进行改善,进而提升其光催化性能是目前的研究热点。采用负载贵金属助催化剂的方法来改善载流子的转移以及增加光催化反应的活性位点是最常用的表面改性方法。在此基础上,本文通过掺杂引入锡元素与助催化剂Pt形成新的复合结构,进一步提高Ti O₂光催化分解水产氢的性能。高能面暴露的Ti O₂粉体催化剂已被证明具有更优的催化活性。相对于粉体催化剂,薄膜催化剂具有不易团聚,方便回收,不会对环境造成污染的优点。目前关于薄膜催化剂的研究集中于对Ti O₂表面的修饰和复合,很少关注薄膜的高能面暴露对产氢性能的影响。本文对（002）高能面暴露的Ti O₂薄膜的光催化性能进行研究,为Ti O₂薄膜光催化剂的研究提供实验和理论基础。本文的研究内容及主要结果有:1、采用一步水热法制备锡掺杂的Ti O₂纳米光催化剂改善其光催化分解产氢的性能。掺杂的Sn⁴⁺离子在与负载助催化剂Pt的共同作用下,将金红石Ti O₂的光催化产氢量提高至39.6 mmol·h^-1·g^-1,是未掺杂的混合相Ti O₂的2.7倍。掺杂Sn⁴⁺能够增强Ti O₂表面与水的反应活性,提供更多的活性位点进行光催化分解水产氢的反应。Sn⁴⁺能够帮助捕获电子,在与Pt的协同作用下,增加可见光的吸收并且降低载流子的复合。在光照过程中,Sn⁴⁺得到Ti O₂表面的光生电子被还原成Sn²⁺,加快了光催化过程的电荷转移。掺杂Sn⁴⁺与Pt的协作用是大大地提高金红石Ti O₂光催化活性的主要原因。2、采用水热法制备（002）取向金红石Ti O₂薄膜用于光催化分解水产氢。水分子可在取向金红石薄膜的（002）表面快速解离,随着羟基被牺牲剂甲醇消耗而产生氢气,光催化产氢量最高可达28.4 mmol·h^-1·g^-1。增加（002）表面的暴露面积,薄膜变得致密,光催化分解水的效率也随之增加。光照过程中产生的大量氢气原位储存在Ti O₂薄膜中。采用理论计算方法模拟了Ti O₂表面和晶格中氢原子的分解和迁移过程。结果表明,水在金红石（002）表面分解反应所需能量很小,很容易在Ti O₂（002）面发生分解,分解产生的氢原子扩散至Ti O₂晶格中,由于氢原子在（110）表面反应生成氢气所需的能量较高,因此它们被限制在Ti O₂晶格中。将薄膜稍微进行加热有助于释放氢气。研究表明（002）取向的Ti O₂薄膜是一种很有前途的制氢和原位存储氢气的材料。