随着化石燃料的日益消耗及其在使用过程中产生的愈来愈严重的环境问题,寻找一种可持续发展的燃料替代化石燃料势在必行。氢气作为一种使用效率高、运输方便、燃烧产物清洁且易于向其他能源转化的燃料,在替代化石燃料方面具有巨大的优势。通过选取合适的光电极,将源源不断的太阳光能转化为电能用于还原水制氢的方法,使得将氢气变成一种可持续的能源成为可能。基于某些半导体材料(如Ⅲ-Ⅴ族化合物)的光电极早已较高效率地(>12%)实现了光电化学(PEC)产氢气。然而,因为不能完全满足材料的无毒性、原材料的低成本和制备方法的低成本三个要求,导致了它们无法应用于可持续的氢能源的生产。本文选择的硫化亚锡(SnS)却完全满足以上三个要求。此外,SnS还具有以下优势:(1)直接禁带宽度一般约为1.3-1.5 eV,使之可以吸收全部波长范围内的可见光;(2)光吸收系数(>104 cm-1)较高;(3)理论上最大光电转换效率高达24%。鉴于上述原因和优势,本文通过低成本的化学浴沉积法(CBD)和水热法(HTD)制备了SnS薄膜,并进行了光电化学产氢气方面的研究。同时,考虑到SnS和文献中常用的高效率光电催化材料的禁带较窄、难以实现直接完全分解水,本文研究了废水中常见的有机小分子的水溶液的电化学氧化行为、低电压(1V)下产氢的效率。其中产氢效率高的水溶液即可用于没有偏压下的光分解水制氢。首先,本文分析了基于p型SnS薄膜的光电池的弱光电转换效率的原因。到目前为止,对基于SnS薄膜的光电池而言,文献报道的、最高的光电转换效率为2.46%。虽然该电池给出的短路电流高达近20 mA/cm2,但是开路电压却仅仅0.244V。结合前人的理论预测,本文认为,SnS的导带和价带的较负的位置导致了如此低的开路电压。因此,除了使用zn(o,s)等缓冲层与sns形成异质结外,可以通过掺杂获得n型sns薄膜与p型sns薄膜构成同质结。这样既可以实现电荷分离,也可以尽量提高材料的光吸收效率。本文试图对以三种cbd方法制备的sns进行金属(in、sb或ga)掺杂。本文发现,在cbd沉积过程中添加金属离子可以实现in和sb的掺杂;in和sb的掺杂导致了sns有由p型向n型转化的趋势。在sns上沉积sb掺杂的sns薄膜之后,其pec性能较沉积之前大大提高。因为sns的电阻随着in和sb的掺杂量的增加先减小后增大,所以阳极光电流并未随着掺杂量连续增大。因此,并没有表现出明显的n型半导体的行为。其次,本文发现sns在pec制氢气过程中发生了光腐蚀。这样的光腐蚀来自于光生电子作用下sns当中sn2+的还原。为了避免sns和水接触而导致的光腐蚀,本文以ald法沉积的tio2层来保护sns;为了提高光电转换的效率,以cds作为sns的缓冲层以实现光生电子-空穴对的分离;同时以2nmpt粒子作为生产氢气的电催化剂。为此,本文设计并制备了sns/cds/tio2/pt结构。在0v(相对于rhe)的电势下、在100mw/cm2的模拟太阳光的可见光部分的辐照下,该结构实现了2小时稳定的光电流(~-2.7ma/cm2)、在350-600nm波长范围内具有12%左右的ipce、在350-900nm波长范围内具有12%左右的iqe、以及90%产氢气的法拉第效率。因为pec方法还原水制氢气最终要在0偏压下应用。而目前单片太阳能光电池的开路电压都不超过水的标准分解电压(1.23v)。所以本文提出以生产生活废水中富含的有机物作为牺牲试剂来进行低电压下水的还原产氢。因此,本文对废水当中可能常见的多种有机物的电化学氧化行为进行了调查,并且对低压(1v)下的电化学氧化的条件进行了优化。我们发现,在酸性溶液(ph2)中,铂电极上的乙醇氧化电流最大;在中性溶液(ph7)中,柠檬酸给出的电化学氧化活性最高,其次是甲醇,再次是乙醇;在碱性溶液(ph12)中,葡萄糖较其他有机物具有巨大的氧化电流,其次是丙三醇,再次是甲醇。以上结果表明在有机废水中含有的醇类和有机酸类物质合适于低电压下电化学氧化。金是对于pH13溶液中的0.5M葡萄糖的最好的电化学氧化的催化剂。尽管水是很廉价的资源,但是碱性溶液的电解则需要昂贵的浓碱。本文给出的相对低的pH值(12)符合碱性葡萄糖溶液电解的需要。因为pH12的葡萄糖溶液能够提供3mA/cm2的电流(该条件下,产氢气的法拉第效率为70%)。低pH的溶液导致低的电流。对于金电极上葡萄糖的电化学氧化,电流与温度相关。但是过高的温度导致的非电化学的氧化会抑制电流的产生,这导致最大稳态电流在35°C。本文使用碱性葡萄糖溶液大大提高了SnS的阴极光电流;同时废水的使用也被证实有助于不加偏压情况下的光电催化制氢。