目前世界上的能源需求还是主要依靠化石燃料,因此造成的能源稀缺和环境污染问题亟需解决,所以发掘利用可再生的清洁能源是大势所趋。在众多的清洁能源中,氢能由于具有诸多优势,备受关注。但是传统制取氢能的方式大多是依赖于化石燃料,这仍然会带来环境污染的问题。而利用半导体纳米材料进行光电催化分解水制氢可以实现太阳能到氢能的转化,这是制取氢能最节能环保的方式之一。现有可用作光电催化分解水的半导体纳米材料有很多,其中,来源广泛、价格低廉、性质稳定的氧化铁(α-Fe2O3)半导体是一种比较理想的光电催化材料。氧化铁禁带宽度合适(2.1-2.2eV),因此可以对大部分的太阳光进行吸收利用,理论计算表明氧化铁将太阳能转换为氢能的效率可以达到16.8%,对应的理论光电流密度为12.6 mA/cm2。但是,由于氧化铁存在导电性差、能带位置不合适、光生空穴传输距离短导致光生电子-空穴易复合等自身缺陷,现在其实际转换效率和理论值之间还有一定的差距,在实际的光电催化分解水制取氢气中还无法得到应用。目前,大量研究发现基于Ti元素的处理可以大幅度提高α-Fe2O3光电极的性能。考虑到和Ti同一族的元素可能具有类似的作用,我们在本论文选取了与Ti同族的Zr和Hf元素来进行研究,并分析了同样为四价元素的Sn对氧化铁的处理。论文中采用不同的处理方法对α-Fe2O3光电极进行了基于这些元素的修饰和改性,克服氧化铁导电性差、光生电子-空穴易复合的自身缺陷,进而提高其光电催化性能。具体的研究内容如下:(1)在第二章中,我们利用Zr-MOFs(UiO-66-(COOH)2))作为前驱体在氧化铁表面沉积双功能层Fe2ZrO5,使得氧化铁光电极的光电流密度提高了约1倍,并且起始电压降低了 180 mV。结合Ti处理及助催化剂Co-Pi的作用之后,Co-Pi-Fe2ZrO5-Ti-Fe2O3光电极的光电流密度得到了显著的提升,在1.23 V vs.RHE处达到 2.88 mA/cm2。通过同步辐射吸收谱(XAS)证明了氧化铁表面的包覆层为Fe2ZrO5,Fe2ZrO5既可以作为钝化层降低光生电子-空穴的复合概率,又可以作为Zr源实现Zr掺杂氧化铁,提高氧化铁内部的载流子浓度从而提高导电性。(2)在第三章中,我们将水热法制备的FeOOH薄膜浸渍在Na2SnO3溶液中,然后通过后续的高温退火得到了 Sn修饰的氧化铁光电极(Sn-Fe2O3),此外我们又利用水热法用脲素对该光电极做了 N修饰,得到了 N-Sn-Fe2O3光电极。光电化学的相关测试结果表明氮锡修饰具有协同作用,使得氧化铁光电极的催化活性得到了明显的提升。在其表面沉积助催化剂Co-Pi后,光电流密度有了更进一步的提高,在 1.23 V vs.RHE 处达到 2.87 mA/cm2。XPS结果表明在经过Sn处理之后氧化铁中出现了 Fe2+,从而使得氧化铁的导电性提高;而经过脲素处理之后的氧化铁中N的信号明显增强,光电化学的相关测试结果表明,N修饰可以提高电荷分离效率,从而改善氧化铁光电极的光电催化活性。综合多种测试结果得知氮锡修饰对氧化铁光电极光电催化性能的提升具有协同作用。(3)在第四章中,我们在制备氧化铁的前驱体溶液中加入HfCl4作为Hf源,得到了 Hf修饰的氧化铁光电极(Hf-Fe2O3)。Hf-Fe2O3光电极的光电流密度是空白α-Fe2O3光电极的2.2倍,在1.23 V vs.RHE处达到1.91 mA/cm2,这是由于Hf修饰可以增大氧化铁内部的载流子浓度,提升电荷传输速率,并且使得氧化铁的光吸收能力增强。在其表面负载助催化剂FeNiOOH之后,光电流密度提升到2.42 mA/cm2,并且使得起始电压有了显著的降低。相关的机理在后续的工作中将进行深入的研究。