经济的快速发展使能源和环境成为人类不得不面对的两大问题。因此,开发清洁、安全、可再生的能源显得尤为重要。与传统化石燃料相比,太阳能具有储量丰富、洁净环保等优点。氢能具有能量密度高、易于储存和运输、环境友好、零碳排放等优点,是最理想的能量载体。光电化学（PEC）分解水被认为是将太阳能转换为氢能的最具有发展前景的方式之一,受到了国内外研究者们的广泛关注。在众多的光阳极材料中,α-Fe₂O₃具有合适的禁带宽度（1.9².2 eV）、较高的理论光-电转化效率,光稳定性好、在地壳中的储量丰富,被认为是最具有发展前景的光电催化材料之一。但是由于α-Fe₂O₃的导电性差、光生电荷寿命短、水氧化反应过电位高,严重阻碍了其发展和应用。表面修饰助催化剂是提高α-Fe₂O₃光电转换效率最为有效的手段。层状双金属氢氧化物由于具有独特的片层结构、低成本和环保等优点,成为最具有前景的PEC水氧化助催化剂。本文主要通过层状双金属氢氧化物（LDHs）表面修饰α-Fe₂O₃提高其光电转换效率,主要内容如下:（1）层层自组装CoAl-LDH纳米片表面修饰α-Fe₂O₃光阳极光电化学水氧化性能的研究:采用水热法制备CoAl-LDH,经NO₃^-离子交换、甲酰胺剥离,制备得到CoAl-LDH纳米片胶体溶液,通过层层自组装法成功制备了PO₄^3--CoAl-LDH/α-Fe₂O₃、SO₄^2--CoAl-LDH/α-Fe₂O₃、CO₃^2--CoAl-LDH/α-Fe₂O₃和NO₃^--CoAl-LDH/α-Fe₂O₃四种复合电极材料。光电化学性能测试表明了PO₄^3--CoAl-LDH/α-Fe₂O₃、SO₄^2--CoAl-LDH/α-Fe₂O₃、CO₃^2--CoAl-LDH/α-Fe₂O₃和NO₃^--CoAl-LDH/α-Fe₂O₃四种复合电极的光电催化活性远高于纯相的α-Fe₂O₃。通过X-射线粉末衍射（XRD）、紫外-可见漫反射吸收光谱（UV-Vis）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨透射电子显微镜（TEM）等对其结构、光学性能、形貌等进行表征。通过电化学阻抗等对其机理进行研究,发现自组装的复合结构中的CoAl-LDH中Co²⁺为析氧反应动力学提供活性位点,减少了光生电荷的复合,提高光电转换效率。另外,PO₄^3-、SO₄^2-、CO₃^2-和NO₃^-四种阴离子对组合复合结构作用可分为两点,其一四种阴离子都可以增大LDH的层间距,为水分子的扩散提供了通道,使水氧化反应能够持续进行;其二由于阴离子形成的负电层有利于电子的传输,从而提高光电转化效率。结果证明,本文设计的一组复合结构电极能够为α-Fe₂O₃的改性提供实验基础和理论依据。（2）NiCoAl-LDH修饰α-Fe₂O₃光阳极光电化学活性研究:以α-Fe₂O₃为基底通过水热法用NiCoAl-LDH修饰α-Fe₂O₃表面,制备出NiCoAl-LDH/α-Fe₂O₃复合电极。通过XRD、SEM、TEM等物性分析,研究其结构、形貌及元素价态等信息。光电化学性能测试结果表明,NiCoAl-LDH/α-Fe₂O₃对水氧化的起始电位下降至0.55 V vs.RHE,在1.23 V vs.RHE光电流为2.56 mA cm^-2,与α-Fe₂O₃,CoAl-LDH/α-Fe₂O₃和NiAl-LDH/α-Fe₂O₃相比分别高13、1.4和2倍。综合电化学和结构分析表明Co和Ni的协同效应可以增强α-Fe₂O₃PEC性能。Ni和Co会引起NiCoAl-LDH中MO₆（M=Ni或Co）的局部结构变化,提高CoNiAl-LDH的导电性,从而增强光生电荷的分离和转移。调变Co和Ni的化学环境,促进Co²⁺(或Ni²⁺)氧化为价态较低的氧化态如Co^3+δ(或Ni^3+δ,0<δ<1),从而降低了能量位垒并加速了水氧化反应动力学。优异的稳定性归因于NiCoAl-LDH的层状骨架允许H⁺和抗衡离子的快速转移以及NiCoAl-LDH较厚的层结构可以防止α-Fe₂O₃的腐蚀。结果证明NiCoAl-LDH是最具有发展前景的光电助催化剂材料之一。（3）MgCoAl-LDH修饰α-Fe₂O₃光阳极光电化学活性研究:以α-Fe₂O₃为基底通过水热法将MgCoAl-LDH修饰α-Fe₂O₃表面,制备出MgCoAl-LDH/α-Fe₂O₃复合电极。通过XRD、SEM等物性分析,研究其结构、形貌等信息。光电化学测试表明,中性电解质条件下,MgCoAl-LDH/α-Fe₂O₃的起始电位最低约为0.62 V vs.RHE,在1.23 V vs.RHE时光电流密度最高约为2.78 mA cm^-2,分别是α-Fe₂O₃(0.30 mA cm^-2)、CoAl-LDH/α-Fe₂O₃(2.03 mA cm^-2)、MgAl-LDH/α-Fe₂O₃(1.73 mA cm^-2)的9.3、1.4和1.6倍。碱性电解质条件下,MgCoAl-LDH/α-Fe₂O₃的起始电位最低约为0.55 V vs.RHE,在1.23 V vs.RHE时光电流密度最高约为4.12 mA cm^-2,分别是α-Fe₂O₃(0.93 mA cm^-2)、CoAl-LDH/α-Fe₂O₃(2.12 mA cm^-2)、MgAl-LDH/α-Fe₂O₃(1.86 mA cm^-2)的4.5、2.0和2.2倍。综合电化学和结构分析表明Mg和Co的协同效应可以增强α-Fe₂O₃PEC性能。Mg²⁺半径与Co²⁺半径相近但又略大于Co²⁺半径,Mg的掺杂,使Co²⁺形成的八面体结构会发生扭曲,进而增加Co²⁺作用,加速水氧化动力学。结果证明,MgCoAl-LDH拓宽了α-Fe₂O₃的应用范围,为光阳极材料的设计提供了新思路。