氢能因其高效、环保、可储存、可运输等特点,是人类理想的可持续发展的新能源。半导体光催化产氢体系是利用太阳能分解水产氢的重要体系,染料敏化半导体光催化产氢是半导体光催化产氢的重要方式之一。虽然已经有了许多关于染料敏化半导体光催化产氢的报道,但是作为体系核心部分的染料依然面临不能充分利用太阳光、制备成本高、环境不友好等问题。叶绿素类染料具有丰富的来源、高消光系数、环境友好、容易提取和改性等优点,是一种极具潜力的光催化产氢的光敏化剂。TiO₂具有高稳定性、高催化活性、无毒、经济成本低等特点,已被广泛应用在半导体光催化产氢体系中,但TiO₂的带隙较宽,因此只能在紫外区表现出光催化活性,染料敏化TiO₂是让其在可见光下展现催化活性的一种有效方式,本论文中,我们利用设计的叶绿素染料和全色的叶绿素-吲哚二联体（chlorophyll-indoline dyad）染料作为光敏剂用于敏化TiO₂光催化分解水产氢的研究,主要研究内容如下:我们利用三种位于叶绿素分子四吡咯大环上C3或C17取代基位置带羧基锚定基团的三种叶绿素a衍生物（Chl-1,Chl-2和Chl-3）敏化TiO₂用于可见光下光解水制氢的研究。染料自身的锚定基团是链接半导体的重要“桥梁”,对于染料与TiO₂之间的电荷传输起到重要作用。我们通过紫外-可见吸收光谱以及电化学循环伏安曲线来表征染料的光吸收能力并计算了染料的能级。又通过稳态和瞬态荧光来表征染料和TiO₂之间的电荷传输行为。实验以抗坏血酸为牺牲剂,Pt作为助催化剂,在λ>400nm可见光照射下,Ch-2染料展现了最高的光敏化产氢活性:1577μmol/g,而Chl-1和Chl-3染料的敏化产氢活性分别为1074μmol/g和1149μmol/g。值得注意的是,在λ>600nm可见光照射下,这些Chls染料依然具有光敏化产氢活性,我们还发现,染料的羧基位置或数量会影响染料和TiO₂之间的电荷传输,进而影响产氢活性。光催化剂在全色光谱下的光催化产氢活性一直都充满挑战,因此,我们设计了一种新的有机Dyad,由一个在绿光区有很强吸收的Ind染料和一个在蓝紫光以及红光有强吸收的Chl染料构成。该Dyad同样被用作敏化Ti O₂来分解水产氢,并与单独的Chl和Ind染料作为对比试验,在λ=420nm的单色光照射下,Dyad/Pt/Ti O₂的表观量子效率为1.27%,高于Chl/Pt/TiO₂和Ind/Pt/TiO₂在相同条件下的表观量子效率分别为0.37%和0.20%,在λ>400nm的光照下,Dyad展现了最高的光敏化产氢活性为4176μmol/g,而在相同条件下,单独的Chl或Ind的光敏化产氢活性分别为1067μmol/g或1204μmol/g。值得注意的是,Dyad敏化的TiO₂光催化剂的产氢活性也高于Chl和Ind两种染料共敏化的产氢结果。通过光电流响应和电化学阻抗等测试研究Dyad,Chl和Ind与TiO₂之间的界面电荷传输和复合过程,研究发现Dyad/Pt/TiO₂高的制氢活性不仅由于出色的光吸收能力,激发态染料与TiO₂导带之间有效的电荷传输也起到重要作用。