面对日益严峻的环境问题和能源危机,清洁能源的开发和利用吸引了当今社会越来越多的关注。利用太阳能和半导体光催化剂进行光解水制备氢气的技术,作为一种环境友好的方法成为近年来的研究热点。但是,到目前为止各个研究的产氢效率还达不到可以商业化应用的水平。所以,开发出一种高效的光解水半导体催化剂就成为主要的研究方向。本文的主要研究内容就是复合结构薄膜光电极的制备及其光电催化性能的研究。赤铁矿（α-Fe₂O₃）具有储量丰富、价格低廉、化学稳定性高以及合适的带隙宽度（2.1 eV）等优点,是非常适合用来进行光解水产氢的半导体材料。但是单纯的α-Fe₂O₃自身的导电性很差,大大的限制了其光电化学过程。所以,我们开发了一种新颖的采用金属钛片为基底,通过常压化学气相沉积法热解二茂铁制备Ti掺杂α-Fe₂O₃光阳极的方法。通过这种方法制备出来的Ti掺杂α-Fe₂O₃光阳极显示了优越的光电化学性能。在9 mW/cm²和100 mW/cm²光照下、电压为0.6 V（vs.Hg/Hg₂Cl₂）时的光电流密度分别达到了80μA/cm²和0.9 mA/cm²。在360 nm和400 nm处的光电转化效率值分别为15.4%和7.2%。在450℃制备的Ti掺杂α-Fe₂O₃光阳极的α-Fe₂O₃薄膜厚度仅为50 nm,这是首次得到的钛掺杂的超薄结构α-Fe₂O₃光阳极,其光电性能也达到同类超薄薄膜的世界领先水平。通过XPS测试,验证了Ti原子确实掺杂进了α-Fe₂O₃薄膜内,并且得到Ti掺杂α-Fe₂O₃光阳极的Ti掺杂浓度为8.4%。光阴极是光电催化的另一极,光阴极材料的性能提高是总体光电催化性能提高的不可或缺的因素。硅（Si）作为地球储量第二丰富的元素,具有较小的能带宽度（Eg=1.1 eV）,是一种广泛应用的光伏材料,p-Si是一种极为高效的太阳能产氢光电极材料。但是平面硅片对太阳光的反射率很高。同时在集中的光照下,光电化学反应过程中还存在光腐蚀的问题,而且表面的大量气泡的产生也可能导致表面金属催化剂的脱落。所以设计新的表面结构,提高光电催化材料的稳定性和性能是光阴极材料研发的重要课题。本文中,我们通过金属辅助化学腐蚀法,在平面Si表面引入纳米线状的表面结构,随后采用一种简单的湿法沉积的方法将Pt颗粒修饰到Si纳米线电极上,最后使用ALD方法在其表面沉积一层TiO₂钝化层,起到同时保护半导体材料和Pt催化剂的作用。Pt颗粒和电解液被15 nm的TiO₂层隔开,这种结构表现出良好的化学稳定性和更正的起始电位。最后得到的TiO₂/Pt/SiNW光电极表现出比平面Si,Pt/planar Si,和TiO₂/Pt/planar Si光电极更优越的光电化学性能和化学稳定性。TiO₂/Pt/SiNW最大的光电流密度为-27 mA/cm²,起始电位相对于平面Si电极正向了0.65V,TiO₂/Pt/SiNW样品的起始电位是0.35 V_RHE,最大光电转化效率是15.6%。我们首次发现,这种埋覆在TiO₂层下面不直接与电解液接触的Pt纳米颗粒,仍然起到很好的表面催化作用,而且该结构的光电催化性能达到同类样品的世界先进水平。Pt颗粒是最经常使用的优秀的光电催化剂,但是由于其成本因素,我们仍然希望开发过渡金属或其氧化物来取代Pt作为光阴极的催化剂。结合之前的两个工作,我们通过常压化学气相沉积法（APCVD）在p型Si片表面热解二茂铁,制备出α-Fe₂O₃/Si光电极。制备出的α-Fe₂O₃/Si光电极表现出了比平面Si和Pt/planar Si光电极都要高的光电流密度。在100 mW/cm²强度的光照下,电压为-1.5 V_RHE时,其光电流密度达到了-34 mA/cm²。相对于平面Si电极,α-Fe₂O₃/Si光电极的起始正向移动了0.5 V。α-Fe₂O₃/Si光电极的最大IPCE值出现在600 nm处,达到70%。我们认为是Si表面的介孔结构α-Fe₂O₃纳米颗粒对Si电极的光电化学反应起到了很好的催化作用。