中文摘要：

利用太阳光催化分解水制氢，可以将间歇性的太阳能资源转化为可储存、无污染的氢能，是人类梦寐以求的解决能源紧缺问题的一条重要途径。结构可控、高效稳定的可见光响应型光催化材料是实现太阳能光解水制氢的关键。近年来出现的垂直取向、高度有序的纳米管阵列具有优越的电荷转移性能，是实现太阳光催化性能的理想结构。而复合氧化物半导体具有光催化效率高，结构稳定，光谱响应范围可随成分调节等优点。本项目拟将复合氧化物优良的光催化性能与纳米管阵列的有序结构有机结合，实现高有序自规整复合氧化物纳米管阵列的可控制备，并且通过研究其光解水制氢性能深入理解光催化剂结构与性能之间的关系，探讨氧化物复合对能带结构的调节机制及其对光催化性能的贡献机理。通过纳米电极材料的精细设计，使氧化物半导体在超微观尺度复合，可望大幅提高分解水制氢效率，掌握有效拓展光谱响应范围、提高光电转化效率的理论依据和新的技术方法。

结论摘要：

利用太阳光催化分解水制氢，可以将间歇性的太阳能资源转化为可储存、无污染的氢能，是人类梦寐以求的解决能源紧缺问题的一条重要途径。结构可控、高效稳定的可见光响应型光催化材料是实现太阳能光解水制氢的关键。近年来出现的垂直取向、高度有序的纳米管阵列具有优越的电荷转移性能，是实现太阳光催化性能的理想结构。而复合氧化物半导体具有光催化效率高，结构稳定，光谱响应范围可随成分调节等优点。本项目将复合氧化物优良的光催化性能与纳米管阵列的有序结构有机结合，实现高有序自规整复合氧化物纳米管阵列的可控制备，并且通过研究其光解水制氢性能深入理解光催化剂结构与性能之间的关系，探讨氧化物复合对能带结构的调节机制及其对光催化性能的贡献机理。采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法，计算了过渡金属掺杂锐钛矿相TiO2模型，并研究了其电子结构、形成能和带边位置。计算结果表明，掺杂后过渡金属的3d或4d轨道与O 2p轨道或Ti 3d轨道杂化形成杂质能级，可以使光谱响应范围拓展到可见光区。Fe等过渡金属的掺杂可以减小TiO2的禁带宽度，在提高TiO2光催化活性的同时保持强氧化还原能力。在富O条件下，不同过渡金属的掺杂形成能不同。其中，Co、Cr、Ni三种元素的掺杂形成能是负值，表明掺杂易于发生，而且所形成的复合氧化物具有很好的稳定性。在实验上通过微波辅助Fe、Co等离子掺杂处理的TiO2纳米管阵列的光电化学性能明显提高，可实现可见光响应。在光功率为10 mW/cm2的可见光照射下，最优Fe离子掺杂复合电极的饱和光电流和光电转化效率比未经微波辅助Fe离子掺杂处理的TiO2纳米管阵列样品分别提高了7倍和8倍。通过改进以往量子点沉积技术，探索出“电化学两步沉积法”——首先制备出结构尺寸可控的CdS量子点，再利用循环伏安法将量子点沉积到纳米管阵列上，使量子点均匀、牢固分布到TiO2纳米管表面，有效克服其容易团聚的缺点，极大提升了可见光光催化活性。并且，在白光激发下使用循环伏安法制备的量子点敏化复合电极的光电转化效率达到2.81%，是使用直流电沉积法得到电极的17倍。本项目通过纳米电极材料的精细设计，使半导体在超微观尺度复合，有效拓展光谱响应范围，提高光电转化效率。