能源与环境问题掣肘经济发展的同时也对人类的生产、生活和健康造成影响,利用太阳能光解水制氢来获取清洁新能源是解决能源和环境问题的有效手段之一。半导体光电化学制氢的研究已经有几十年之久,目前传统的二元金属氧化物,如TiO₂、ZnO等仍然是光电化学系统中研究较多的光电极材料,然而这些材料因带隙较宽,吸收紫外光而受到限制。因具有铁电光伏效应,铁电薄膜在光电化学领域的应用近期得到了重视。经过外电场极化后的铁电薄膜体内能够产生退极化场,其方向在外电场的控制下可以实现翻转。退极化场的产生能有效地加强光生载流子的分离。BiFeO₃（BFO）是铁电材料的典型代表之一,近年来是多铁性方面的热点材料。BFO薄膜的带隙约在2.1-2.8 eV之间,能够吸收太阳光谱中的可见光部分,因此其在光电化学制氢光电极方面的应用也正被关注,但是其作为光电极的效率比较低,光电流较小。为改善BFO铁电薄膜的光电化学性能,本论文主要开展了以下两方面的工作:（1）我们采用磁控溅射法在带有透明导电电极ITO的玻璃上沉积了BFO多晶薄膜,随后研究了不同沉积时间的Au纳米颗粒对其光电化学性质的影响。研究结果表明:ITO/BFO/Au电极的光电化学性能较ITO/BFO薄膜光阴极有明显提高,其中Au沉积20 s时电极具有最大的光电流密度-25μA/cm²（0.6 V vs.RHE偏压下）,是ITO/BFO电极的两倍,这是因为Au纳米颗粒具有的局域表面等离激元共振效应（LSPR）增强了ITO/BFO/Au电极对光的吸收。另外,我们在制备BFO薄膜时在ITO上引入了10 nm ZnO过渡层,研究发现过渡层的引入较明显地提高了BFO薄膜的平整度,减小了BFO薄膜的漏电流,有利于提高BFO薄膜的剩余极化强度。最终,极化后的ITO/ZnO/BFO/Au电极在0.6 V vs.RHE下电流密度达到了-62μA/cm²,开路电压达到了0.79 V vs.RHE。（2）本论文还研究了在Pt催化剂及BFO之间引入carbon界面层对光阴极光电化学性能的影响及其中的机制。Pt是最好的光阴极产氢催化剂,然而,BFO薄膜的费米能级大约为4.8 eV,小于Pt的费米能级（约为5.4 eV）。因此,当BFO薄膜与Pt颗粒接触时会形成了一个上翘的势垒,上翘的势垒阻碍了电子从电极表面流向电解液中。在本论文中,我们在BFO薄膜与Pt颗粒之间嵌入一层导电的carbon层去阻止BFO与Pt之间肖特基势垒的形成。carbon的功函数约为4.2 eV,与BFO薄膜接触时会形成一个向下弯曲的势垒,下弯的势垒有利于电子从BFO薄膜迁移到carbon层。又因为carbon具有很好的导电性,与Pt形成欧姆接触,电子能很容易从carbon层转移到Pt。我们用装有正丁烷的打火机烘烤样品约30 s时便能在BFO薄膜表面得到具有多孔结构的carbon层,这方法既简洁易操作又节约成本。研究结果表明:当担载相同Pt量时,与ITO/BFO光电极相比,ITO/BFO/carbon/Pt光电极表现出了优越的光电化学性能,在0.6 V vs.RHE下,极化后的ITO/BFO/carbon/Pt电流密度达到了-125μA/cm²,开路电压达到了1.2 V vs.RHE。