光催化分解水产氢技术可利用太阳光的能量将水分解为清洁的能源氢气,将太阳能存储为高密度的能量,因此有望成为人类解决当前面临的能源和环境问题的最佳方法之一。虽然光催化分解水产氢技术经过了40多年的发展,已经取得了较大的进步,但是光催化分解水产氢技术在实际生活中的应用还面临很多问题,最重要的就是当前常见的半导体光催化剂的效率不够高。此外,当前光催化技术成本过高也是限制其发展的主要原因。因此,对半导体光催化材料进行改性使其具有高的光催化性能和开发高效且廉价的材料应用于光催化领域就显得尤为重要。光催化分解水产氢的过程可分为如下几步:（1）半导体光催化剂吸收光的能量产生电子与空穴对;（2）光生电子与空穴发生分离和转移;（3）光生电子在光催化剂的表面与质子发生还原反应产生氢气,同时空穴氧化牺牲剂而被消耗。提升上述过程中任何一步的效率都可以有效地改善半导体的光催化分解水产氢性能,因此较为有效的常用方法如下:（1）通过掺杂等手段调控半导体光催化剂的能带结构使其可以吸收更多能量的光,改善光催化分解水产氢过程中第一步的效率;（2）通过调控结构或者构筑异质结等改善光生电子与空穴的分离和转移过程;（3）通过表面调控以及添加助催化剂等为半导体光催化剂表面的氧化还原反应提供更多和高效的活性位点,同时让更多有效的光生载荷参与到光催化分解水产氢的反应过程。基于此,本论以TiO₂和g-C₃N₄等半导体光催化材料为载体,分别探讨了非金属掺杂、构筑Type-II型和Z机制异质结以及负载非贵金属助催化剂等方法,对半导体材料的光催化分解水产氢性能的影响,并对其机理进行了研究,同时为开发廉价且具有高效的光催化分解水产氢性能的光催化剂提供理论指导。论文的具体研究内容如下:（1）通过先在氨气中900℃煅烧Ti-Si二元氧化物然后再用NaOH溶解其中SiO₂的方法制备得到了具有较好可见光光催化分解水产氢性能的N掺杂介孔纳米TiO₂(TiO_2-xN_x)光催化剂,并通过微波法对其沉积了助催化剂Pt。研究表明,在Ti-Si二元氧化物中掺入Si可有效地抑制900℃下TiO₂锐钛矿到金红石的相变以及TiO₂晶粒的生长,通过调控可使其具有混合晶相以及小于10 nm的晶粒尺寸;非金属N元素的掺杂也使其具有了明显提升的可见光吸收性能。可见光光催化分解水产氢的结果表明,具有锐钛矿和金红石混合晶相以及较高N掺杂浓度的介孔TiO_2-xN_x纳米光催化剂表现出了最优的性能,产氢速率达到15.2μmol/h/g。（2）利用MXene-Ti₃C₂材料易氧化成TiO₂且含有C元素的特点,以自制MXene为原料原位合成C掺杂的TiO₂并与g-C₃N₄材料耦合制备得到了具有Type-II型的C-TiO₂/g-C₃N₄异质结光催化剂,成功地将非金属掺杂和构筑异质结的方法相结合并有效提升半导体材料的光催化性能。研究发现通过450℃煅烧就可将MXene成功转变为C掺杂TiO₂,并可吸收见光。光催化分解水产氢结果表明,当Ti₃C₂与g-C₃N₄的质量比为10 wt%时,制得的C-TiO₂/g-C₃N₄异质结光催化剂具有高达1409μmol/h/g的光催化产氢活性,分别比纯g-C₃N₄和C-TiO₂的提高8倍和24倍。光电流响应和电化学阻抗研究表明,C-TiO₂/g-C₃N₄异质结光催化剂具有较好的光生电子与空穴的分离效率。得益于C掺杂对TiO₂可见光吸收性能的提升以及TiO₂和g-C₃N₄之间形成的异质结,使得C-TiO₂/g-C₃N₄异质结光催化剂具有优异的可见光光催化分解水产氢性能。（3）通过水热并煅烧的方法合成了具有Z机制的二维WO₃/g-C₃N₄异质结光催化剂,此异质结表现出了更好的可见光催化分解水产氢性能。当WO₃含量为10 wt%时,二维WO₃/g-C₃N₄异质结光催化剂具有最好的光催化分解水产氢性能,速率高达1853μmol/h/g,相比纯的g-C₃N₄纳米片光催化材料提升了大约6.5倍。二维WO₃/g-C₃N₄异质结光催化剂具有较高的光催化效率的原因可归因于其二维纳米层状结构以及WO₃和g-C₃N₄之间形成的Z机制异质结。一方面WO₃/g-C₃N₄的二维纳米结构使其具有较大比表面积以及更短的光生载荷的转移路径;另一方面,在WO₃和g-C₃N₄之间形成的异质结结构可以有效的促进光生电子和空穴的分离,从而使更多的光生电子参与到光催化分解水产氢的过程。（4）以Ni-Mo合金作为g-C₃N₄的助催化剂并取得了较好的光催化效果,制备得到了Ni-Mo/g-C₃N₄复合物光催化剂,其中Ni-Mo合金以固溶体的形式存在并与g-C₃N₄紧密地结合在一起。光催化分解水产氢测试表明,具有最佳配比的Ni-Mo合金助催化剂,可以有效地将g-C₃N₄的光催化分解水产氢性能提升37倍,基本达到了与贵金属Pt相似的助催化性能。同时,Ni-Mo合金优异的电学性能使得Ni-Mo/g-C₃N₄复合物光催化剂的光电流密度相对于g-C₃N₄提升了25倍,达到了8.0 mA/cm²。理论计算结果也表明Ni-Mo合金相比于Pt更有利于作为析氢的活性位点。此非贵金属Ni-Mo合金可以有效地替代现如今常用的贵金属助催化剂,降低光催化技术的成本,促进光催化技术在实际生产中的应用。