α-Fe₂O₃材料由于资源丰富、价格低廉、无毒、与环境友好等优点而被广泛应用于资源与环境领域,其禁带宽度为2.1 e V,光吸收波长达590 nm,光解水的理论光电流高达12.6 mA/cm²,这些特点使其成为目前最有潜力的光解水制氢催化剂之一。但是,α-Fe₂O₃载流子迁移率低(0.2 cm²·V^-1·s^-1),空穴扩散距离短（<4 nm）,放氧反应速度慢,这些自身存在的缺陷使α-Fe₂O₃的实际光电流却远小于理论值。近年来,一般采用掺杂离子(如Mg²⁺,Ti ⁴⁺或Sn⁴⁺等)的方法来提高其导电性能;通过控制形貌,尤其制备成一维纳米棒/线阵列结构缩短空穴扩散长度;采用表面沉积贵金属氧化物（IrO₂）或Co-Pi等催化剂提高α-Fe₂O₃的催化活性,降低超电势。本文采用水热合成法制备α-Fe₂O₃薄膜材料,通过形貌控制和表面修饰以提高其光电性能,深入研究材料的结构、形貌和修饰物对薄膜电极光电性能的影响,确定薄膜材料的构效关系,以促进高效光催化分解水制氢的催化剂设计与制备。采用两相分离的水热合成法,在FTO导电玻璃上制备α-Fe₂O₃/TiO₂薄膜,通过条件优化,确定最优光电流的薄膜制备条件:1.0 mg/mL TiO₂的乙醇溶液制备TiO₂薄膜,水热合成温度为140℃,马弗炉煅烧温度为500℃,循环沉积4次。该薄膜在光照强度为100 mW/cm²,外电压为1.5 VRHE时光电流密度达到0.683m A/cm²,且在光电催化分解水实验中,光电流很稳定,基本没有下降,表明α-Fe₂O₃/TiO₂电极具有非常高的稳定性。经XRD和TEM表征分析,TiO₂不仅对α-Fe₂O₃晶体的生长有促进作用,还有助于负载更多的α-Fe₂O₃,增强薄膜对光的吸收能力。为充分利用透过薄膜的剩余光能,将4块相同的α-Fe₂O₃/TiO₂薄膜电极串联,光电流密度随之提高到1.53 m A/cm²,通过电极串联的方式增加对光能的吸收,为薄膜电极充分利用太阳光提供了一种途径。采用水热循环沉积7次制备的α-Fe₂O₃薄膜厚度达175 nm,光电流接近α-Fe₂O₃/TiO₂薄膜电极,表明一定厚度的α-Fe₂O₃薄膜,“耗尽层”对光电流的影响可以忽略。在该薄膜表面修饰一层还原氧化石墨烯（RGO）,确定了氧化石墨烯的旋涂溶液浓度为7 mg/mL、氧化石墨烯的还原温度为400℃的最佳制备条件。详细研究了还原氧化石墨烯对提高光电流的影响和作用机理,表明还原氧化石墨烯具有收集、储存空穴的作用,并有促进电荷传输的功能。开发出以与环境友好的碳基材料代替有毒或昂贵的金属氧化物用于α-Fe₂O₃薄膜表面修饰的实验方法。根据磷酸根离子的定向排列作用,制备了纳米块结构α-Fe₂O₃薄膜,研究了磷酸盐对α-Fe₂O₃形貌特征的影响,确定了Na₂HPO₄:FeCl₃的摩尔比为1%的水热制备条件。该薄膜电极在1.5 VRHE电压时光电流达到0.788 m A/cm²,表现出良好的光电催化性能。深入研究了纳米块形貌、磷酸根离子与α-Fe₂O₃的结合方式以及薄膜表面的磷酸根离子负载量对光电流的影响。超薄的纳米块（<50 nm）晶体光生电子与空穴向界面传输距离短,可以减少体相中电荷的复合,薄膜表面的磷酸根形成的负静电场,促进了空穴的迁移以及向电解质的注入效率,因而提高了光电流。