利用太阳光驱动催化分解水可以缓解化石燃料的开采和利用所带来的环境污染和能源危机,应用前景广泛,值得深入研究。光催化技术的发展离不开材料作为支撑;吸光单元与反应单元构筑的复合催化剂获得了广泛关注。界面是复合材料极为重要的微结构,作为不同单元连接的桥梁,对复合材料的电子传输及催化性能有重要影响。优化界面设计的策略应以协同提升光吸收、载流子分离和电荷利用三个效率为原则。合理有效地调控界面载流子的分离、定向传输,除关注复合材料各组分间的能级匹配,还应注重组分之间的兼容性、稳定性和目标反应的选择性。本论文以构筑高效的复合光催化剂为目标,以界面修饰为主要手段,系统地探究其对界面载流子的传输速率、选择性和体系稳定性的影响机制。首先通过引入非晶TiO2中间层(a-TiO2)和氰基修饰的方法构筑了具有跨界面电子快速传输的半导体-钴肟分子催化剂耦合体系,探讨了界面精细结构对耦合体系光催化分解水产氢性能的影响,揭示了界面相互作用强弱对光生电子传输的影响和a-TiO2中间层对空穴存储的调控机制,获得了高稳定性的高效复合光催化体系(200h);然后通过聚多巴胺(PDA)界面修饰的手段,分别构筑了高效的g-C3N4/PDA/TiO2异质结光催化剂和BiVO4/PDA/CoOx光电催化剂,探讨了以PDA为介导的有机中间层材料促进和引导界面载流子传输,提升催化性能的机制。本论文的研究内容及结论如下:第一章主要介绍本论文的研究背景、意义及国内外的研究现状。首先介绍了光催化技术及其在分解水领域的应用,包括光催化的基本原理及存在的主要问题,提升光催化分解水性能的途径;其次介绍复合光催化材料的研究现状;而后综述了复合催化剂界面修饰对提高载流子快速传输、优化目标反应选择性、增强反应体系稳定性的影响机制;最后阐述本研究工作的选题思想和研究内容。在第二章的工作中,我们选择了具有高反应活性的CdS半导体和耐氧性较好的钴肟分子催化剂构筑的耦合体系作为研究对象,针对体系中CdS易受光腐蚀和光生电子跨界面传输效率低的问题,通过在CdS和羧酸基团修饰的钴肟分子(Co)之间引入非晶氧化钛(a-TiO2)界面中间层,构筑一种高效且稳定的CdS/a-TiO2/Co耦合体系。理论与实验相结合表明,a-TiO2中表面配位不饱和原子(Ti4C)为分子Co的锚定提供化学键合位点,进而改变了 Co与CdS间的相互作用,使其由较弱的物理吸附变为强的化学吸附。此外,Mott-Schottky电化学测量和飞秒瞬态吸收光谱表明a-TiO2中间层具有合适的能带位置,能够加快光生电子从CdS到分子催化剂Co的转移,a-TiO2中氧缺陷所产生的intraband电子态可以提取空穴,从而抑制CdS的光腐蚀,实现耦合体系的稳定性。多功能a-TiO2中间层界面修饰后的耦合体系表现出优异的光催化分解水产H2性能,最高可达25 mmol g-1 h-1,约是纯CdS的20.8倍,是不含a-TiO2中间层的CdS/Co的1.7倍。更重要的是,在λ≥420 nm可见光照射下,6 nm a-TiO2均匀包覆的CdS纳米棒(CdS NRs)具有200h的催化稳定性。基于这些结果,本章研究提出了一种能有效固定分子催化剂、调控光生载流子传输、提高稳定性的多功能中间层界面修饰策略,为构建高效且稳定的无机-有机复合光催化剂提供思路。虽然CdS反应活性高,但其有毒性,带来了局限性,g-C3N4具有稳定性高、环保、可见光响应等优点。为此,在第三章的工作中,以g-C3N4-钴肟分子耦合体系作为研究对象。针对g-C3N4电子空穴分离效率和界间电荷传输效率低的问题,采用低温柠檬酸钠处理的方法,在g-C3N4多孔纳米管中引入氰基基团,构筑了高效分解水产H2的耦合体系。研究表明,氰基修饰实现了面内异质结的形成和钴肟分子共价键的连接。氰基的修饰使g-C3N4形成面内p-n结,促进了电子空穴对的分离。氰基生成的同时,也在g-C3N4内引入-NH2,为钴肟分子的共价键连接提供了位点。瞬态荧光光谱证明强相互作用加速了界面间光生电子的快速跨界面传输。发现了两种分子催化剂比单一分子催化剂的催化效率高,CV测试证明了两者之间氧化还原的差异性,提出了双分子催化剂协同机制。优化后耦合体系实现高效的光催化产H2性能,产氢速率高达418 μmol g-1h-1,双分子催化剂TON为59,且35 h内稳定。本工作提出了一种低温处理引入氰基修饰的策略,为构建高效界面电荷传输的半导体-分子催化剂耦合光催化体系提供思路。在第四章的工作中,针对g-C3N4材料中光生电子空穴难分离、迁移率低的问题,利用多巴胺的自聚合和聚多巴胺的邻苯二酚配位效应在二维g-C3N4纳米片表面均匀包覆一层PDA碳化层,并在其表面负载超小TiO2纳米颗粒,制备了一种可以高效分解水产H2的复合光催化材料(TDCN)。本研究表明,高导电的PDA碳化层与CN和TiO2均有紧密界面,从而提高了光生电子迁移速率。以PDA为介导修饰上去的缺陷态的TiO2与g-C3N4之间存在合适的能带位置,可以有效地增强电子空穴分离效率。在以TEOA为空穴牺牲剂的水溶液中,优化条件后制备的多级结构TDCN2表现最优的产H2速率为3916μmol g-1 h-1,约为纯g-C3N4体系的11.6倍,约是DCN体系的3.9倍,并且在λ≥420nm可见光照射下,16h内产H2性能稳定。基于这些结果,以PDA碳化层为介导的界面中间层可以为构建更高效光催化粉末反应体系提供思路。在第五章的工作中,针对BiVO4光阳极表面光生电子空穴容易复合的问题,利用多巴胺的自聚合在BiVO4表面均匀包覆一层PDA层,并利用PDA邻苯二酚的配位效应在其表面吸附Co2+,制备了具有高效光电催化性能的BiVO4/PDA/CoOx光阳极。研究表明,PDA中间层有机兼容BiVO4和CoOx,充分的有效接触面积,大幅度提高了电荷迁移和分离效率。电化学方法揭示了 PDA中间层在热力学上选择性地阻碍电子传输,促进空穴传输的作用机制。此外,发现螯合的金属Co离子在LSV测试中会转变为结晶态的CoOx。该耦合体系表现出优异的光电密度,在1.5G模拟太阳光照下,RHE)在1.23 V下,最高可达4.49 mA cm-2,约是纯BiVO4的2倍,并且稳定性良好。基于这些结果,以聚合物PDA为介导的界面中间层可以为构建更高效的光电催化体系提供思路。第六章对本论文进行总结,归纳研究工作中的主要结论和创新点,并对今后拟开展的科研计划进行了展望。