半导体光电催化材料成本低廉,环境友好,可以直接把太阳能转化为化学能存储起来,是解决全球能源危机的首选材料。光电极中的半导体光电催化材料是整个水分解系统的核心部件,直接决定了转换效率的高低。由于半导体材料中不同的晶面,具有不同的表面原子排布和电子能带结构,因而作为电极的半导体材料所暴露的晶面对其光电催化活性具有重要影响。目前,大多数半导体光电极材料的带隙较宽、稳定性差、表面复合率较高,导致其光电催化活性较低,制约了其实际应用。本文紧跟国际研究前沿,以体心立方结构In203晶体为模型催化剂,通过合理的实验设计,制备了有特定晶面暴露的In203微／纳米颗粒和纳米线光电极,实验和理论研究表明,获得的电极材料具有高效、稳定的光电化学催化性能,在光电化学催化领域具有重要的应用前景。本文的主要结论如下：1、利用改进的化学气相沉积设备,根据气固(Vapor Solid, V S)生长原理,制备了一系列形貌单一、尺寸均匀的多面体状In203微米颗粒,系统地研究了这种体心立方结构晶体的形貌演化机理。在此基础上,通过调控生长温度首次实现了对In203微米颗粒形貌的精确调控。进一步的光电化学测试表明,暴露{001}晶面的In203立方体展现出良好的光电催化活性,且具有较好的化学和结构稳定性,其原因是{001}晶面不仅可以直接解离吸附水分子且能够汇聚光生空穴。这一结果充分说明精细地控制晶体形貌对于增强光电催化活性具有重要的作用,这一技术或概念可望推动其它具有晶面依赖性的应用领域一如气敏传感器、太阳能电池和锂离子电池等的发展。2、一维纳米线光电极具有较好的电荷输运和光吸收特性,因此被广泛应用于光电化学水分解领域。尽管理论计算表明体心立方结构In203晶体的{001}晶面具有汇聚光生空穴的能力,但是关于纳米线晶面对光电催化活性的影响目前仍不清楚。我们通过改进化学气相沉积设备,根据气液固(Vapor Liquid Solid, VLS)和气固(Vapor Solid, VS)生长原理,制备了大量直径在100-200 nm、长度为数十微米的方形和圆柱形In203纳米线。SEM和TEM结果分析表明,方形纳米线沿[100]方向生长,4个光滑的侧面属{001}晶面族。光电催化学性能测试表明,方形In203纳米线在热力学开启势处的光电流密度为0.2 mA/cm2,而在同样测试条件下圆柱形纳米线的光电流密度为0.02 mA/cm2。这一结果为纳米线晶面“切割”在光电化学催化过程中的应用提供了可靠的实验佐证,也为纳米线基光电器件的设计和制备提供了重要的实验基础。3、方形In203纳米线虽具有较好的光电催化活性,但由于带隙相对较大,对可见光吸收偏弱。为了增强对可见光的吸收能力,我们进一步利用氢处理的方法在方形纳米线表面引入一层非晶层,即形成晶核和非晶壳组成的核壳结构。最佳条件下氢处理后的方形In203纳米线在热力学开启势处的光电流密度为1.2mA/cm2,是原始方形纳米线光电流密度的6倍。增强的光电催化活性可以归因于带隙的缩减和在晶核和非晶壳处光生电子空穴分离效率的提高。因此,这种核-壳结构的纳米线可以有效地提高光电转化效率,对今后光电材料的设计具有指导意义。