太阳光照射下,光催化及光电催化分解水能够从水中产生绿色的氢气已经受到了广泛的关注。然而,在提高能量转换效率方面仍然存在诸多挑战,例如,利用宽波长的光子来制备氢气,促进特定波长下的反应效率,以及提高半导体材料的寿命。由于光催化和光电催化材料的半导体特性决定着光照时材料是否能被激发,以及有多少光生载流子能够迁移到分解水的反应表面。因此,调控这些特性是发展光分解水的最主要方面。首先,对于一个特定的半导体材料,表面修饰不仅能够活化半导体来分解水,而且可以促进电荷分离、提升半导体材料在光激发时的稳定性。其次,形成p-n结对光电化学分解水的效率有显著影响。本文利用单斜相钒酸铋半导体材料具有可见光响应的优点,分别构建了钒酸铋基的三元复合的纳米片光催化剂以及多孔结构的光电阳极并对其表面进行了助催化剂修饰。通过各种表征手段对催化剂的结构、组成、形貌等物理化学性质进行表征分析,在可见光下降解有机染料作为模型反应研究所制备光催化剂的活性,以及光电流密度和光电化学产氢能力来考察光电阳极的光电化学性能。主要的研究内容与结果如下:(1)利用乙醇胺作为形貌控制剂,通过水热法一步合成BiOCl/BiVO4复合纳米片,后又将金属Bi用原位还原法沉积在该纳米片表面。最终得到的Bi/BiOCl/BiVO4三元复合纳米片同时具有p-n异质结和金属表面等离子共振结构。光催化和光电化学性能测试结果表明,该新型的具有混合结构的光催化剂具有可见光下优异的对RhB的降解能力和瞬态光电流响应。(2)通过简单的滴涂-焙烧法,一步合成孔径可调的BiVO4纳米多孔薄膜。表征和测试结果表明,孔径分布在300-400 nm的BiVO4纳米多孔薄膜表现出优异的光吸收、电荷分离能力以及光电化学性能。更重要的是,我们探索并解释了导致多孔BiVO4光电阳极如此高效的光电转换效率的原因。具体来说,利用一种新型的检测手段,同步光照射光电子能谱(SIXPS)直接观测到了BiVO4纳米多孔薄膜内部光生电子-空穴的有效分离。另外,光学测试证明,多孔结构中存在光的衍射和限域效应,从而促进了对可见光的吸收。(3)利用简单的浸渍法将超薄的g-C3N4纳米片均匀地覆盖在纳米多孔的BiVO4光电极表面。并且通过新型的同步光照射光电子能谱(SIXPS)技术揭示了半导体材料体相内光生电荷的迁移过程,结果表明,超薄的g-C3N4纳米片能够有效抑制BiVO4中光生电荷的复合,而且光生空穴能快速迁移到纳米片表面进行氧化水的反应。另一方面,莫特-肖特基和电化学阻抗谱进一步表明超薄的g-C3N4层状结构能够显著提高载流子密度,促进光电极/电解液反应界面光生电荷的迁移。正如预期的一样,超薄的g-C3N4纳米片负载后的BiVO4多孔光电极呈现出比Co-Pi和FeOOH修饰的更加优异的光电化学氧化水性能。