能源是人类社会赖以生存和发展的基石。而这些能源不仅储量有限,且对环境危害极大。因此,寻求环保的可再生能源势在必行。氢能,清洁,高效,安全和可再生,被认为是最好的二次能源。半导体光催化技术可以直接将低密度太阳能转化为高密度氢能,引起了各国科学研究人员的广泛关注。光催化分解水产氢是一个复杂的体系,与许多因素密切相关,如:助催化剂、牺牲剂、反应条件、光催化材料等。其中,光催化材料是最重要的因素。然而,光响应的窄范围和低光子量子效率是制约光催化材料发展的两个主要问题。为了合成高效的光催化材料,人们采取了许多措施,主要是对传统半导体光催化材料进行改性以及对新型半导体光催化材料的探索。有机-无机半导体复合是对传统半导体改性的一种常用手段,本论文设计合成了 NdVO4/g-C3N4和PDINH/TiO2两种有机-无机复合光催化材料,并评价了复合材料的光催化活性;设计合成了一种可以实现精准定位负载的有机-无机复合光催化材料Pd-PPy-Ti02。此外,开发新型半导体光催化材料也是一种非常有效的手段,本论文探索了具有良好光吸收的红外非线性半导体ZnGeP2及其有机-无机复合材料Pt/PPy/ZnGeP2和ZnGeP2/g-C3N4在光催化分解水产氢方面的应用;探索了具有类DNA双螺旋结构的半导体SnIP及其有机-无机复合材料Pt/PPy/SnIP的光催化分解水产氢性能。主要内容及结论如下:在第一章中,首先简要阐述了半导体光催化技术的研究背景、基本原理和研究现状,然后简单介绍几种常见的半导体光催化分解水产氢材料(如TiO2、CdS、g-C3N4),并分析了光催化分解水产氢体系的影响因素,针对制约光催化材料发展的两大难题(光响应范围窄和光量子效率低),总结了常用的合成高效光催化材料的方法,最后,从有机-无机复合和探索新型光催化材料两个方面入手,引入本论文的选题意义和研究内容。在第二章中,以有机-无机复合的方式对传统半导体光催化材料g-C3N4和TiO2进行改性,合成得到了两种有机-无机复合光催化材料NdVO4/g-C3N4和PDINH/TiO2,并对复合材料的光催化分解水产氢性能进行评价。(1)采用固相烧结的方法合成得到了 NdVO4/g-C3N4有机-无机复合光催化材料。在光催化分解水产氢方面,复合材料表现出了比NdVO4和g-C3N4都要好的光催化活性,其中,3.0%NdVO4/g-C3N4的光催化活性最佳,在单位时间内,其光催化分解水产氢量约是g-C3N4的5.5倍,且其量子效率可以达到6.57%(λ=365 nm)。此外,对不同样品的光电性能也进行了分析,结果表明复合材料具有更好的光电流强度和更弱的稳态荧光光谱强度,说明与NdVO4和g-C3N4相比,复合材料的光量子效率得到了提高。这是因为在NdVO4和g-C3N4之间可以构成典型的交错型(type-Ⅱ)结构,这种结构可以促进光生载流子的分离并进一步提高光催化活性。(2)选取典型的n型有机半导体----3,4,9,10-四甲酸二亚胺(perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic diimide,PDINH)对TiO2进行改性,构建了有机-无机复合光催化材料PDINH/TiO2。相比于纯TiO2,复合材料的光催化分解水产氢效率得到了极大的改善,在365 nm处,0.5%PDINH/TiO2的光量子效率可达70.69%。通过在不同单色波长下样品的光催化分解水产氢实验,可以发现,光吸收并不是复合材料光催化活性提高的主要原因。在PDINH和TiO2界面处存在着-C=O…H氢键,其键长为1.75 A。理论计算结果表明,光生电子可以通过-C=O…H氢键迅速从PDINH迁移到TiO2表面,从而促进光生载流子的分离,进而获得高效的光催化活性。在第三章中,研究了负载位置对有机-无机复合材料光催化活性的影响。通过一步同时光致沉积的方法实现了 Pt和PPy纳米颗粒在TiO2表面的精准定位负载,且Pt和PPy的负载位置恰好是光催化反应过程中光生电子和空穴的反应活性位点。与文献报道的其它合成方法相比,该方法得到的TiO2-0.5Pd-0.6PPy具有最好的光催化分解水产氢活性,且其光催化分解水产氢效率分别是TiO2-0.5Pd的3.1(全光下)和3.3倍(可见光下)。在Pt和PPy的共同作用下,TiO2-Pd-PPy不仅光吸收得到了拓展,而且光量子效率也得到了提高。在第四章中,研究了红外非线性半导体材料ZnGeP2及其有机-无机复合材料Pt/PPy/ZnGeP2和ZnGeP2/g-C3N4在光催化分解水产氢方面的应用。(1)采取单温区的方法,在真空石英管中高温合成得到了 ZnGeP2光催化材料,且对ZnGeP2在可见及近红外光下的光催化分解水产氢活性进行了分析。由于ZnGeP2中P3-极易被氧化,因此,通过向反应体系中加入H3PO2和对ZnGeP2进行超声处理来提高ZnGeP2的光催化活性及稳定性。(2)采用一步共沉淀法构建了 Pt/PPy/ZnGeP2有机-无机复合光催化材料,与ZnGeP2相比,虽然Pt/PPy/ZnGeP2的光吸收没有得到拓展,但其光催化分解水产氢活性及光稳定性都得到了极大的提高,这是因为在Pt、PPy和ZnGeP2三者之间可以构成典型的Z型异质结结构,这种异质结可以有效促进半导体光生载流子的分离,从而提高材料的光催化分解水产氢效率,并有效避免ZnGeP2光腐蚀现象的发生。(3)通过超声自组装的方法构建了 ZnGeP2/g-C3N4有机-无机复合光催化材料,该材料表现出了比ZnGeP2和g-C3N4都好的光催化活性,其中,4.0%ZnGeP2/g-C3N4的光催化分解水产氢效率可达85 μmol/h,分别是ZnGeP2和g-C3N4光催化分解水产氢效率的34和3.0倍,而且样品4.0%ZnGeP2/g-C3N4在365 nm处的量子效率可以达到5.6%。相比于纯g-C3N4,复合材料ZnGeP2/g-C3N4的光吸收得到了有效拓展,此外,ZnGeP2和g-C3N4还可以构成Z型异质结,该结构为光生电子和空穴的分离提供了有利条件。综上,光吸收的拓展及光生载流子分离效率的提高是复合材料ZnGeP2/g-C3N4取得高效光催化活性的主要因素。在第五章中,研究了具有类DNA双螺旋结构的无机半导体SnIP及Pt/PPy/SnIP有机-无机复合材料在光催化分解水产氢方面的应用。(1)以高纯Sn、P和SnI2为原料,在真空石英管中高温合成得到了 SnIP光催化材料,该材料具有独特的类DNA双螺旋结构,使SnIP表现出了良好的光吸收和光生载流子分离效率。此外,通过对SnIP在纯水中光解水前后各元素的XPS变化进行分析,发现在光催化过程中,SnIP中的Sn和P元素易被光生空穴氧化,从而导致SnIP在光催化过程中不够稳定。通过向反应体系中加入H3PO2,可以有效提高SnIP的光催化活性及光稳定性。(2)采用一步共沉淀法构建了 Pt/PPy/SnIP有机-无机复合光催化材料,该材料表现出了远好于SnIP的光催化分解水产氢活性及光稳定性。通过对样品的光学性能进行测试,发现复合材料的光吸收并没有得到有效拓展,这也说明光吸收不是复合材料光催化活性增强的主要原因。通过能带位置分析,发现在PPy和SnIP之间可以形成典型的交错型(type-Ⅱ)结构,该结构可以有效促进光生电子和空穴的迁移及分离,从而获得高效的光量子效率,这也是复合材料光催化活性增强的主要原因。在第六章中,首先总结了本论文的主要研究内容及得出的结论,并对本论文的主要创新点进行了简单总结,最后提出并分析了本论文存在的不足之处,并对下一步的工作进行了展望。