当今时代,随着煤、石油、天然气等自然资源的枯竭,开发长期可持续发展的可再生能源成为人类生存与发展的首要任务之一。作为一种环境友好型能源,氢气的热值高,便于运输、可再生,因此将太阳能转换成氢能是最理想的开发新能源的方法之一。光解水制氢可以直接利用太阳能分解水制取氢气,不消耗其他能源,并且对环境无污染,受到研究人员的广泛关注,成为最理想的制氢途径。TiO₂因具有稳定的光电化学性能、成本低廉、耐腐蚀、氧化还原能力强等优异性能,成为最有前景的光催化剂之一。然而,TiO₂光催化剂对太阳光的吸收率低、光生载流子容易复合、量子效率低,这些因素严重束缚了TiO₂在光解水制氢领域中的发展。针对上述问题,本论文围绕如何调控TiO₂催化剂的表面及界面结构、能带结构,促进光生载流子的有效分离和传输、提高TiO₂对太阳光的吸光率,实现光催化剂的高效性与稳定性的统一来进行研究。通过水热法制备了TiO₂纳米棒。以TiO₂纳米棒为前驱体,对苯二酚作为碳源,通过厌氧浸渍和固相烧结法构筑了Ti-C键连接界面的TiO₂-C纳米棒和无Ti-C键连接界面的TiO₂/C纳米棒,对所制备材料的微观结构、电子和空穴分离效率、能带结构及光解水制氢性能进行了研究。和没有化学键连接界面的TiO₂/C纳米棒相比,光生电子和空穴在Ti-C键连接界面的TiO₂-C纳米棒内的分离效率显著提高,在复合材料的表面能够产生更多的活跃电子,在420 nm可见光的照射下,TiO₂-C纳米棒光催化产氢速率可达7294μmol h^-1g^-1,显著高于TiO₂/C纳米棒光催化产氢速率(605μmol h^-1g^-1)。同时,制备的TiO₂-C纳米棒的产氢速率也非常稳定。在十个循环反应的40 h内,其光催化产氢速率能够保持不变。这种化学键连接界面的复合材料,能够促进电子和空穴的有效分离。采用一个简单的化学还原方法在TiO₂/C/Pt内部实现大量稳定的Ti³⁺的掺杂。通过紫外-可见光漫反射光谱分析、光电响应测试、光致发光测试、莫特肖特基测试可知:大量稳定的Ti³⁺掺杂的TiO₂/C/Pt样品展示了很高的催化活性,在可见光照射下载流子密度达到13.9×10¹⁸cm^-3,光解水制氢速率达到8117μmol h^-1g^-1,是没有Ti³⁺掺杂的样品产氢速率(507μmol h^-1 g^-1)的16倍。因此,在可见光照射下,样品的光解水制氢性能大幅度提高和并保持良好的稳定性。研究结果为构筑大量稳定的Ti³⁺掺杂的TiO₂光催化剂提供了一个新方法。通过简单的水热法制备了F定向掺杂与蚀刻的TiO₂{001}晶面的纳米片。通过光电测试、光致发光测试、莫特肖特基测试可知:F在锐钛矿TiO₂的{001}晶面定向掺杂并蚀刻,能够利用其本身的光生电子和空穴向不同晶面传输的特性,通过减小光生空穴传输到催化剂表面的距离及在{001}晶面引入Ti³⁺和氧空位缺陷,有效的提高了载流子的分离和传输效率,在可见光照射下光电流密度可达0.71 mA cm^-2,远远高于TiO₂纳米片前驱体的光电流密度(0.11 mA cm^-2),极大地提高了TiO₂的光催化活性,F定向掺杂与蚀刻{001}晶面的TiO₂纳米片的最高产氢速率可达18270μmol h^-1 g^-1。运用水热法和固相烧结法构筑了Ti-C键连接界面的二维TiO₂{001}晶面与超薄的二维g-C₃N₄定向复合的光催化剂,这种大面积的强接触界面能够有效的减少光生电荷在转移过程中的能量损失,减少光生电子-空穴的复合率,加快光生载流子的迁移率,在可见光照射下材料的载流子密度高达24.06×10¹88 cm^-3,显著高于TiO₂纳米片前驱体的载流子密度(3.92×10¹⁸cm^-3),从而提高了光催化剂的产氢性能。通过优化g-C₃N₄在催化剂中的含量得到的复合纳米片的光解水制氢速率高达11367μmol h^-1 g^-1,并能保持稳定的光催化活性,在一个40 h的循环反应,TCN纳米片的产氢速率不变。