能源与环境问题是当今全球范围关注的话题,开发新型环保可再生能源成为维持人类可持续发展的重要课题。太阳能和氢能被认为是21世纪最清洁的能源。光催化分解水过程是一种可以直接将太阳辐射能转化为氢能的途径。其中利用半导体实现光催化分解水是目前研究的热门之一,半导体在光催化中的反应过程包括:（i）吸收太阳光产生电子空穴对;（ii）光生电子空穴对分离并迁移至半导体表面;（iii）分解水产生氢气和氧气。但是单一的半导体在光催化分解水过程中吸收太阳光的能力是有限的,并且电子空穴对分离效率和电荷迁移率低,导致其无法获得高效率的光催化产氢效率。为了解决以上问题,本论文提出以下四种设计方案:1.为了拓宽半导体g-C₃N₄的吸收光谱范围,我们提出了将有机半导体g-C₃N₄作为配体与金属Pt形成配位结构,利用配位结构中金属-到-配体的电荷转移跃迁过程（MLCT）拓宽有机半导体g-C₃N₄的吸光范围,从而提高其光催化产氢性能。有机半导体g-C₃N₄光催化效率受到两方面因素的制约:（1）g-C₃N₄往往具有较宽的能带带隙（2.7eV）,使其只能吸收波长小于460 nm的紫外光等短波太阳光;（2）高电子空穴复合率和低载流子迁移速率限制了 g-C₃N₄中光生电子的高效利用。为了更好地将g-C₃N₄应用于光催化分解水领域,需要从拓宽有机半导体g-C₃N₄吸收光谱范围和提高其载流子利用率两方面着手。我们通过实验证实,利用电子从金属离子Pt²⁺到有机半导体g-C₃N₄之间的电荷转移跃迁（MLCT）可以很好地解决这两个问题。MLCT一般发生在配合物中的激发状态,它所需要的激发能量低于最高已占轨道（HOMO）-到-最低未占轨道（LUMO）的带间跃迁能量,弥补了有机半导体g-C₃N₄无法吸收长波长太阳光的不足,扩宽了吸收光谱。通过实验结果和理论模拟证明,HOMO-到-LUMO跃迁和MLCT跃迁能够在N共轭芳香单元相对独立地工作,避免了光催化过程中电子长距离转移所带来的电子空穴复合提高了光催化性能。2.针对半导体Ag₂S和TiO₂能带结构无法匹配的问题,我们提出在其界面引入痕量的金属Ag,抬高Ag₂S能带,从而形成Ag₂S-（Ag）-TiO₂ Z型结构体系。N-型半导体TiO₂具有稳定的高催化活性,但是较宽的能带带隙（3.2 eV）限制其只能在紫外区进行光吸收。Ag₂S是一种窄带隙（1.0eV）N-型半导体,能够吸收近红外区和可见区太阳光,因此Ag₂S与TiO₂形成复合结构在紫外至近红外区都具有光吸收。然而该两种半导体平行的能带结构却阻碍了 Z型结构体系的形成。为了解决该科学问题,我们在Ag₂S和TiO₂的界面上引入了痕量的金属Ag,实现了 Ag₂S能带的抬高,从而形成Ag₂S-（Ag）-TiO₂ Z型结构体系。这种Ag₂S-（Ag）-TiO2三元结构在全谱光照条件下表现出大幅度提高光催化制备氢气的性能。在光催化剂设计中,精准控制界面上的Ag层厚度是其难点。针对该挑战,我们设计了一种"生长-硫化"路线,首先在Ag纳米晶体表面生长TiO₂壳层,进而在TiO₂的壳层保护作用下对内核Ag单质完成硫化。通过Ag单质与TiO₂的强化学键合作用,避免界面上的单质Ag完全硫化,形成了独特的Ag₂S-（Ag）-TiO₂三元结构。3.针对表面等离激元金属热电子无法有效注入半导体并参与反应的问题,我们提出了利用TiO₂晶面异质结与助催化剂的协同作用,以提高金属热电子的有效利用。金属与半导体接触后会形成肖特基结,其电荷转移方向与等离激元金属热电子注入方向是相反的。同时等离激元金属热电子注入半导体时,缺乏热电子高效迁移的驱动力。为此,我们首先利用TiO₂纳米片晶面异质结作为等离激元金属热电子注入半导体过程的驱动力。半导体TiO₂纳米片由{001}和{101}两种晶面组成,我们的实验数据表明在晶面异质结作用诱导下的Au-TiO₂{001}样品具有更好的电荷分离能力。我们进一步在Au-TiO₂{001}体系中引入助催化剂Pt,最终获得了能够在全谱光照下高效产氢的Au-TiO₂{001}-Pt催化剂。4.针对TiO₂/石墨烯复体系中TiO₂上电子需要穿越其自身厚度达到石墨烯表面参加反应的问题,我们提出合成TiO₂纳米薄片减少电子消耗的方案,提高了光催化产氢效率。通常采用的TiO₂纳米线或者纳米球与石墨烯接触,不利于其界面上电子-空穴的分离。同时TiO₂上电子要穿过自身厚度到达与石墨烯结合的界面,在此过程中会有部分电子损耗。我们合成出TiO₂纳米薄片不但可以降低电子迁移过程中的损耗,同时也增加了 TiO₂纳米片与石墨烯接触的界面,最终提高TiO₂纳米片/石墨烯复合结构光催化产氢性能。我们系统研究了光生电子在TiO₂纳米片中以及TiO₂纳米片与石墨烯复合界面上的迁移路径。在此基础上,我们进行了 TiO₂纳米片/石墨烯复合结构上Pt助催化剂的集成,讨论了 Pt存在位置对TiO₂/石墨烯-Pt体系光催化性能的影响。