寻找开发可再生的清洁能源是实现人类社会可持续发展的必然要求。半导体光电化学分解水可以将太阳能转化为清洁的氢能源,是理想的太阳能转化和存储技术。半导体电极的太阳光吸收效率,光生电荷的分离效率和表面空穴注入效率是制约半导体光电极太阳能转换效率的主要因素。光生电荷的分离和空穴的注入主要发生在半导体电极的表面附近区域,即,半导体与溶液接触形成的固/液界面。研究电荷在固/液界面处的分离、传输和转移机制,对开发高效光电极具有重要的指导意义。n型半导体光阳极与溶液形成的固/液界面,半导体光阳极一侧能带向上弯曲形成空间电荷层,其内建电场有助于光生载流子的分离。由于半导体电极周期性的破坏或者外来离子的引入在半导体电极表面形成了能级位于导带和价带之间的表面态。为了提高光电极空间电荷层的体积占比将半导体光阳极材料纳米化后,表面态对光电极性能的影响以及对固/液界面电荷传输的影响将不能忽略。然而目前对半导体光电极表面态在界面电荷传输过程中的作用还缺乏足够认识。本文选择具有丰富表面态的TiO2纳米管光阳极作为研究对象,探究了TiO2表面态的化学组成,TiO2表面态在固/液界面、固/固界面电荷传输机制以及TiO2表面态对饱和光电流的影响,在此基础上使用电化学掺杂调控TiO2表面态改善光电极的性能。具体内容如下:TiO2纳米管光阳极背电子传输机制。通常电解液中加入空穴牺牲剂,空穴和电子在光电极表面的复合率降低,观测到的光电流增大。本文首次发现碱性电解液中加入H2O2空穴牺牲剂后,TiO2纳米管光阳极饱和光电流显著降低。研究发现TiO2纳米管光电极存在表面态,且表面态电子容量大,不随溶液pH的变化而变化。TiO2表面态是背向电子传输通道,被表面态捕获的光生电子在外加正偏压下,仍可以背向传输至电解液,与溶液中的H2O2发生还原反应,导致电极光电流降低。电化学掺杂调控TiO2纳米管光阳极的表面态提升光电性能。电化学掺杂处理TiO2纳米管光电极,其饱和光电流显著提升。本文首次阐明TiO2纳米管光电极的莫特-肖特基曲线的3个线性部分,分别来自纳米管管壁、纳米管底部、纳米管与Ti基底之间过渡层电容对外加电位信号的响应。TiO2纳米管表面态的化学结构为Ti-OH,负电位极化发生电化学掺杂TiⅣO2+e-+H+=TiⅢO（OH）,使电极表面态密度增大。TiO2纳米管光阳极光电流曲线和莫特-肖特基曲线存在相关性,随着电化学掺杂程度的增加光电流达到饱和的电位和莫特-肖特基曲线均发生正向偏移,研究结果表明,外加电位将表面态完全耗尽时电极光电流达到饱和。光电极的表面态通常被认为是光生电子和空穴的复合中心,研究发现TiO2纳米管光阳极的表面态是光生电子传输通道,表面态通过捕获光生电子和释放电子进入外电路,有效阻止光生电子和空穴的复合。原电池反应构建TiO2表面态提升电荷分离效率。NaBH4溶液还原处理TiO2纳米管光电极,电极光电性能得到大幅提升。研究者普遍认为NaBH4溶液与TiO2发生化学还原反应引入的Ti3+或者氧空位Vo起到了改善光电性能的作用。本文发现NaBH4溶液还原处理TiO2纳米管光电极时,TiO2纳米管电极完全浸入NaBH4溶液和部分浸入NaBH4溶液,其光电性能表现不同。研究表明NaBH4溶液与TiO2纳米管光电极的Ti金属基底及TiO2纳米管构成原电池,其中Ti金属为阳极,发生阳极反应NaBH4+8 OH-=NaBO2+8 e-+6H2O,TiO2纳米管为阴极,发生阴极反应TiIVO2+e-+H+=TiⅢO（OH）。NaBH4溶液还原处理TiO2纳米管电极的本质是自发形成的原电池反应引起电化学掺杂使电极表面态密度提升。TiO2表面态高效转移CdS/TiO2异质结界面电子。宽带隙半导体上沉积窄带隙半导体层或者半导体量子点,可以增加电极对太阳光的吸收,增大半导体电极空间电荷层厚度,从而提升电极的光电性能。本文通过电化学掺杂调控TiO2纳米管表面态密度,采用连续化学浴法在TiO2纳米管上生长CdS量子点,探究TiO2表面态在固/固界面电荷传输过程中的作用。TiO2纳米管表面态密度变大,CdS/TiO2异质光电极的饱和电流得到提升。运用电化学原位拉曼光谱研究电化学掺杂引入TiO2表面态（Ti-OH）的形成机制。TiO2表面态捕获CdS中光生电子,降低CdS光生电子和空穴复合率,异质结中CdS量子点的光致荧光发射强度得到显著抑制。TiO2的表面态作为CdS/TiO2异质结界面电子传输通道加快界面电子传输动力学。