光电化学（PEC）分解水对可持续发展具有十分重要的意义,是一种十分具有潜力的新能源技术。光电化学池主要由半导体工作电极（光电极）、对电极和电解质溶液组成。以光阳极材料为例,整个光电化学过程大致如下:光照下,半导体光阳极内部被激发出光生载流子,在外加偏压的作用下,光生电子通过外电路迁移到阴极,阴极附近的电解质溶液中的氢离子得电子被还原为氢气,而空穴则在迁移到半导体表面以后参与阳极水氧化反应。显然,研究和制备具有优秀的光电化学活性、稳定性的半导体光电极材料是提高太阳能-氢气转换效率的关键。光电化学性能主要受到两个重要因素的影响,一方面是光电极材料的光吸收能力,应当尽可能的利用可见光而产生更多的光生载流子;另一方面是光生电荷的分离能力,即减少光生电荷的复合从而提高载流子的寿命,使得光生电子和空穴能够更有效的参与光电化学分解水的反应。在众多的半导体材料中,TiO₂和ZnO的成本低廉、物理和化学稳定性良好、无毒性并且对环境友好,是非常具有潜力的光电极材料,但是他们的禁带宽度太大,几乎没有可见光响应,并且在光电化学过程中的光生电子空穴对复合极大的制约了他们的光电转换效率。本论文中,我们以宽禁带半导体材料ZnO、TiO₂为基础,合成了具有不同形貌的半导体光阳极材料,采用了不同手段对光电极进行改性,并取得了光电化学性能显著提升,本文的主要研究内容概括如下:（1）通过磁控溅射方法在FTO基底上沉积了一层ZnO纳米薄膜,并且通过热蒸发在ZnO上沉积了Al膜,Al膜的厚度和表面形貌可以通过蒸发时间轻易调节。Al/ZnO薄膜的可见光吸收能力增强,光电流密度在可见光下得到了更大的提高。通过对交流阻抗结果的分析,我们发现Al/ZnO的界面动力学比纯ZnO更快,这得益于Al薄膜修饰起到了促进界面载流子迁移。（2）通过水热合成的方法制备了3维花状纳米结构的TiO₂光电极（TiO₂NFs）,研究了不同水热生长时间对TiO₂ NFs的形貌的影响,并且在此基础上讨论了纳米花成核与生长机理。之后,我们对不同生长时间的TiO₂ NFs进行了光电化学性能的测试,实验结果表明,3维纳米花结构有效的增大了比表面积,并且提供了更加快速的电子迁移路径。（3）在（2）的基础上,我们通过浸渍涂覆的方法在TiO₂ NFs表面修饰了Mo S₂和GO纳米片,实验表明,TiO₂ NFs/Mo S₂和TiO₂ NFs/GO光阳极的可见光吸收得到了很大改善,这得益于复合的Mo S₂和GO具有很好的敏化禁带促进可见吸收的作用。另一方面,复合光阳极材料的异质结对光生电子和空穴的迁移进行了调控,提供了更有效的传输路径,促进了光生空穴到达阳极表面参与水的氧化反应。（4）结合（2）的研究内容,将制备好的TiO₂ NFs通过Na BH4溶液液相还原,根据实验结果可以证明还原以后的样品R-TiO₂ NFs中Ti3+离子和氧空位的存在。这种自掺杂的R-TiO₂ NFs在可见光下的光电化学性能得到了很大的改善,氧空位的引入显著增大了施主浓度,促进Fermi能级向导带方向移动,从而增大了半导体表面的能带弯曲,促进了界面光生电荷的分离。