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光电催化（PEC）分解水技术可直接将太阳能转化为氢能,具有经济、环保等优点,是解决能源危机与环境污染的最有效途径之一。因具有带隙适当（～2.1 e V）、带边位置好、物化特性稳定、地球上储量丰富等优点,α-Fe2O3是一种极具潜力的PEC光电阳极材料。但与许多半导体材料一样,其光吸收较差、光生空穴扩散长度短（2-4 nm）、光生电子-空穴对易复合、光电流的实际效率远低于理论值,如何提升α-Fe2O3光阳极的光电催化性能是值得深入研究的前沿课题。高效的光电催化分解水需要较强的光吸收、载流子的有效分离、光生空穴、电子快速传输到表面参加反应的能力。对于平面结构电极而言,强的光吸收和载流子的高效分离难以兼得,而若将光电极制备为有序纳米结构,可望利用纳米结构产生的奇异效应,显著提高半导体材料的光吸收和载流子分离效率,因此,近年来,新型的有序纳米结构光电极受到广泛关注。为此,本文以α-Fe2O3为研究对象,以利用有序纳米结构提升光电催化性能为目标,从改善材料的光吸收能力、缩短光生空穴收集距离、抑制光生电子-空穴复合等方面出发,采用磁控溅射、热蒸镀、水热法、原子层沉积法（ALD）等材料制备方法,分别设计和制备了具有表面等离子体效应的纳米截头圆锥体阵列、透明导电骨架为主体/α-Fe2O3为客体的三维多孔主/客体结构、和具有光子晶体效应的反蛋白石结构三种纳米有序结构,分别从表面等离子体效应、纳米孔尺寸优化、光子晶体效应等方面,系统地研究了有序纳米结构对光电极催化性能的影响规律及作用机制。获得的主要研究结果如下:1.通过反应离子刻蚀、磁控溅射和热蒸镀方法制备了Si O2/氧化铟锡（ITO）/Au/α-Fe2O3截头圆锥体（a frustum of a cone,FC）纳米光栅结构,通过调控光栅周期、圆锥体高度或α-Fe2O3薄膜的厚度,可调节α-Fe2O3光阳极的PEC性能。发现:Si O2/ITO/Au/α-Fe2O3纳米光栅光阳极的光电流密度在光栅周期为600 nm时最大;光电流密度随纳米截头圆锥体高度的增加而减小,在高度为300 nm时最大;光电流密度随着α-Fe2O3厚度的增加而减小,在厚度为50 nm时最大。2.在1.23 V versus可逆氢电极(VRHE)下,Si O2/ITO/Au/α-Fe2O3截头圆锥体纳米光栅结构周期为600 nm,截头圆锥体高度为300 nm,沉积的Fe厚度为50 nm时,其PEC析氧反应（OER）的光电流密度最大为1.33 m A/cm~2,比平面样品（0.15m A/cm~2）增加约10倍;光电转换效率（IPCE）在α-Fe2O3近带隙处提高了两个数量级以上,在宽带波长范围内最大增大约20倍。机理研究表明,α-Fe2O3中的表面等离子体激元（surface plasmon polaritons,SPP）诱导电场通过促进电荷分离在提高效率方面起着主导作用;而纳米光栅结构中光散射引起的相对弱的电场也是导致IPCE在宽带波长范围内增大的原因。3.以聚苯乙烯胶体球（PS）为模板,通过自组装法制备了三维多孔ATO/α-Fe2O3主/客体反蛋白石光阳极,其中,ATO（锑掺杂氧化锡）骨架由平均尺寸为10 nm左右的ATO微晶组成,均匀负载的α-Fe2O3颗粒尺寸为40 nm左右。通过改变PS胶体球的尺寸（100,500,800,1000,1500 and 2000 nm）,制备了6种不同孔径的光阳极,研究了孔径对PEC性能的影响规律,发现:孔径为1000 nm的样品的PEC性能最佳。典型地,在1.23 VRHE下,其光电流密度为1.10 m A/cm~2,远高于平面样品的0.29 m A/cm~2。机理研究表明,具有连续孔道的ATO透明导电骨架,能够快速将α-Fe2O3的载流子导走,从而抑制了电子-空穴的复合;三维骨架高的比表面积,有效的增强了光吸收,同时也为PEC析氧反应提供了更多的活性位点。合适的孔径尺寸使导电性和光吸收均达到良好水平,从而获得优异的PEC性能。4.使用模板强制浸渍法和ALD方法在氟掺杂氧化锡（FTO）导电基底上制备了具有光子晶体结构的ATO/Fe2O3光阳极,厚度为20 nm的Fe2O3层均匀且平整地覆盖于ATO骨架表面。通过改变PS胶体球直径尺寸（360、400、430 and 480 nm）,制备了具有不同光子禁带位置的光子晶体结构。发现:随着孔洞直径的增加,光子晶体分别呈现出蓝紫色、淡蓝色、黄绿色和红色。具有孔径尺寸为400 nm的ATO/Fe2O3-400光子晶体样品光电流密度(在1.23 VRHE偏压下最大0.8 m A/cm~2)约为无序多孔结构样品的2-3倍。具有光子晶体结构的ATO/Fe2O3反蛋白石光阳极在对应于它们各自产生慢光效应的光谱区域中显示出选择性光捕获和IPCE增强。机理研究表明,制备的结构完整性和表面平整度都很优异的ATO/Fe2O3反蛋白石具有明显的光子晶体效应,光子晶体的慢光效应可以选择的使特定波段的光电转换效率显著增强。同时ATO/Fe2O3结构可以减少空穴传输距离并促进电子空穴分离。论文通过对不同有序纳米结构的氧化铁基光电极的研究,探索有序纳米结构独特的光学等方面的特性对光电催化性能提升的影响,获得的研究结果可扩展应用于基于其它半导体材料的太阳能转换系统,本工作可对今后有序纳米结构光电极的设计、制备及性能提升提供启示与参考,具有重要的科学意义与应用价值。