随着化石能源的减少和温室效应的加剧,获得清洁、廉价、可靠的可再生能源已日益成为世界经济繁荣的基石。取之不尽的太阳能是目前地球上最大的可再生能源,但其分散性和间歇性仍然是能源需求的最大挑战。将太阳能量转化至燃料或化学品可以有效实现可再生能源的储存和运输,而基于无机半导体纳米材料的光电催化反应可以有效实现这一途径。半导体光电极材料是光电催化反应的核心载体。光生载流子的产生、传输、复合与反应过程均在光电极材料上进行,因而光电催化性能取决于光电极材料的性质,包括电极材料稳定性、光的吸收能力、载流子传输性能、以及表面催化反应。原子层沉积是一种气相薄膜生长技术,由于其自限性生长机理,它能够在材料表面进行薄膜的可控沉积。这一优势可以有效修饰材料表面化学性质,改性催化活性位点,甚至改性材料本身结构,进而解决光电催化领域的许多难题。本论文通过原子层沉积技术,对多种氧化物半导体光电极进行改性,从多方面提高了光电极材料的性能,并对其光电催化机理进行了探讨。本论文主要研究的对象为金属氧化物半导体,包括氧化锌、三氧化二铁、氧化钛,涉及的催化反应包括光解水制氢和光固氮反应。首先,氧化锌纳米棒阵列具有优良的导电性,但其在溶液中的不稳定性极大限制了它在光解水中的应用。利用原子层沉积在氧化锌材料表面均匀包覆超薄的高带隙可隧穿氧化钽材料,不仅钝化表面态,提高光解水效率,同时隔绝了氧化锌材料与电解液的直接接触,大大提高了稳定性。其次,氧化铁作为具有潜力的可见光响应的光电极材料,具有载流子传输慢、分离效率低等缺点。本论文利用原子层沉积分别在羟基氧铁纳米棒表面包覆氧化钛或氧化锆,在特定焙烧条件下,分别形成氧化铁/钛酸铁异质结和氧化铁纳米管。这两个途径分别从固固结和固液结提高了载流子的分离效率,提高了氧化铁材料的光电解水性能。最后,在金红石相氧化钛纳米棒上用原子层沉积包覆一层具有氧缺位的无定形氧化钛,增强氮气分子的吸附和活化。同时,金纳米颗粒提供等离子体共振效应,氧化钛电极的光合成氨性能得到显著提高。同时,关于氧缺位对氮气分子的吸附和活化进行了机理研究。