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太阳能是唯一能够从规模上替代化石燃料的可再生能源,同时也能够满足不断增长的环境需求。氢能是最清洁的能源,有许多潜在的应用价值。利用太阳光以光电催化制氢是最有希望解决能源与环境危机的方法。虽然目前的研究在这方面取得了显著的进展,但仍存在着电子-空穴对复合几率高、转换效率低、太阳光吸收利用低等问题。一维半导体纳米结构有望克服这些挑战并实现太阳能大规模转化。本文对氮化碳(g-CN)、氧化钛(Ti02)、氧化锌(ZnO)三种纳米阵列材料进行了微观结构和形貌的调控,并组建了异质结材料,有效地提升了光电催化性能。主要研究内容如下:(1)通过采用真空磁过滤电弧离子镀(VMFAIP)系统直接在FTO玻璃上大面积生长膜层均匀的g-CN纳米棒阵列(NRs)。g-CN膜的构建基于电离的碳和氮前驱体的直接反应并在FTO基底上沉积。这是一种基于气相的自下而上的制备方法,与传统的粉末法沉积以及热蒸发冷凝的方法相比具有明显的特点。在PEC应用上,其与传统的方法对比起来也具有明显的优势。同时基于气相的自下而上的方法使得g-CN能够容易地与包括但不限于Ti02 NRs进行复合,形成异质结构以进一步改善电荷分离效率,提升PEC性能。(2)采用ZnO NRs作为电子传输基底,构建了一种高效稳定的Al-ZnO/CdS/Al203光电阳极体系。得益于A1掺杂后的ZnO NRs具有较高的电子传输特性以及CdS具有合适的窄带隙将系统的光响应显著的延伸到可见光区域,我们分别在1.23 V与0.38 V相对RHE时获得了 10.4 mA/cm2的光电流值和5.75%的转换效率。更为重要的是在经过直流磁控溅射(DCMS)沉积A12O3钝化层后,在不影响光电流值的情况下,Al-ZnO/CdS电极的光电稳定性得到了显著的提升。DCMS沉积在Al-ZnO/CdS电极表面的金属Al可以自氧化形成A12O3钝化层。这种自氧化形成的氧化层具有类似液体一样的超塑性以及光滑密封性,可以很好的起到钝化保护Al-ZnO/CdS电极的作用,提升电极性能。(3)采用Al-ZnO/CdS作为研究基材,在其上沉积不同厚度的Ti02钝化层以研究其对光电催化性能的影响。实验发现在Al-ZnO/CdS电极表面经过ALD处理沉积Ti02后,体系的光稳定性得到了显著的提升。通过系统性的测试研究表明,电极稳定性得到了提升主要与Ti02的三重功能有关:具有疏水性隔离光阳极与周围液体环境的直接接触;钝化CdS表面的表面态降低电子空穴复合几率;捕获并存储光生空穴。