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二氧化钛(TiO2)由于具有优异的光电转换能力,优良的化学稳定性和无毒性,在光电转换中得到了广泛的研究。在各种TiO2纳米结构材料中,通过电化学阳极氧化法制备的TiO2纳米管阵列(TiO2 NTAs)由于其结构排列高度有序,比表面积大,具有独特的电子传输结构而被认为是最有前途的光电极材料之一。TiO2 NTAs是TiO2各种纳米结构材料之一,所以也受到TiO2固有缺陷的限制,TiO2的禁带宽度较宽,只可以在紫外光下被激发,而紫外光在太阳能光谱中占比非常小(3～5%),因此其光电化学性能会受到固有缺陷的影响,在进行研究和实际应用时,往往需要对其进行改性处理。发展至今,TiO2 NTAs常见且有效的改性方法包括自掺杂(氢化),过渡金属离子掺杂,非金属离子掺杂,贵金属沉积以及半导体复合等。通常,不同的改性方法会以不同的原理提高TiO2 NTAs的光电化学性能,而多种改性方法的结合可以对光电性能的改善产生协同作用,这日益成为TiO2 NTAs改性的新趋势。本课题首先研究了 TiO2 NTAs的最佳烧结温度,在此基础上,利用多元复合改性手段,通过简便的操作方法,分别制备得到了氢化和S掺杂的TiO2 NTAs(H-S-TiO2 NTAs),g-C3N4 复合的 H-S-TiO2 NTAs(g-C3N4/H-S-TiO2 NTAs)和 WO3-xSx 修饰的 H-S-TiO2 NTAs(WO3-xSx/H-S-TiO2 NTAs)。通过对样品的表观形貌,微观结构,成分组成,光学性质的观察及光电化学性能等的测试,确定了制备以上各复合材料的最佳条件,并且分别提出了样品光电化学性能的增强机理。研究结果表明:TiO2 NTAs的最佳烧结温度为550℃。氢化和S掺杂可以大大提高TiO2 NTAs的光电化学性能。与最佳TiO2 NTAs相比,最佳H-S-TiO2 NTAs的吸光范围表现出明显的红移。最佳H-S-TiO2 NTAs的饱和光电流密度和光电转换效率达到1.97 mA/cm2和1.18%,分别为最佳TiO2 NTAs的3.72倍和4.92倍。此外,最佳H-S-TiO2 NTAs显示出最高的瞬态光电流密度(1.08mA/cm2),且具有出色的光电响应特性,这表明最佳H-S-TiO2 NTAs中光生载流子的转移效率有所提高。H-S-TiO2 NTAs增强的光电性能可以证明氢化和S掺杂对提高TiO2 NTAs的光电化学性能具有协同作用。将H-S-TiO2 NTAs 通过浸渍法得到 g-C3N4/H-S-TiO2 NTAs,其最佳浸渍次数为4。最佳g-C3N4/H-S-TiO2 NTAs的光电转换效率高达1.47%,约为TiO2 NTAs的5.44倍。最佳g-C3N4/H-S-TiO2 NTAs(1.64 mA/cm2)与最佳 TiO2 NTAs(0.29 mA/cm2)相比,具有更高的瞬态光电流密度,并具有良好的稳定性。此外,与其它光电电极相比,最佳g-C3N4/H-S-TiO2 NTAs具有更大的负开路电势和最佳的光电稳定性。这说明氢化,S掺杂和g-C3N4复合对TiO2 NTAs光电化学性能的改善具有协同作用。为了简化操作流程,确定了另一种更为简单的实现TiO2 NTAs的氢化和S掺杂改性处理的方法,并在此基础上首次制备得到了 WO3-XSx/H-S-TiO2 NTAs。经光电化学性能测试确定电解液中Na2WO4·2H2O溶液的浓度为20 mmol/L时所得WO3-XSx/H-S-TiO2 NTAs光电化学性能最佳。将最佳TiO2 NTAs,H-S-TiO2 NTAs,WO3/TiO2 NTAs20 和 WO3-xSx/H-S-TiO2 NTAs20 进行对比可知,WO3-xSx/H-S-TiO2 NTAs20的光吸收边缘移向更高的波长,显示出更强的可见光吸收。WO3-xSx/H-S-TiO2 NTAs20的饱和光电流密度为2.97 mA/cm2,约为最佳TiO2 NTAs的5.60倍;WO3-xSx/H-S-TiO2 NTAs20 的光电转换效率(1.76%)约为最佳 TiO2 NTAs 的 7.33倍;此外,WO3-xSx/H-S-TiO2 NTAs20表现出良好的光电响应特性和光电化学稳定性,瞬态光电流密度高达1.66mA/cm2,约为最佳TiO2NTAs的6.15倍。WO3-xSx/H-S-TiO2 NTAs20具有最佳的光电化学性能,这说明氢化,S掺杂和WO3-xSx的修饰对TiO2 NTAs光电化学性能的提高也具有协同效应。本课题的研究内容有助于高性能光电极材料的开发,本课题中制备得到的光电极材料也有望在光电转换领域得到广泛应用。此外,对于其它半导体材料也可以考虑本课题中所采用的多元复合改性方法,且具有良好光电性能的材料在光催化和光伏领域也具有良好的应用前景。