人类社会发展中最为基础广泛的一个约束条件是能源约束,而当下以化石燃料为主体的能源结构正面临着资源短缺、产生环境污染的问题,这使得人类对可再生、清洁能源的渴求日益增加。在众多的新能源制备方案中,光电化学分解水制氢技术极具潜力,目前限制其进一步发展的瓶颈因素是缺乏高效稳定的光阳极材料。α-Fe2O3具有带隙合适、储量丰富、光电化学稳定性高、无毒等优点,被认为是一种具备商用潜质的光阳极材料。如同很多其它光阳极材料,α-Fe2O3也面临着实际能量转化效率远低于理论值的问题,科研人员针对于此提出了元素掺杂、高温处理、纳米工程、构建异质结、表面修饰等方法来改善其光电化学性能,但在这其中仍有不少问题值得深入思考和探究。例如,高温处理和元素掺杂的联合使用在进一步提升α-Fe2O3光阳极饱和光电流的同时,也会降低其在低偏压条件下的水氧化效率,该现象在笔者的实验探究和文献整理中均得到验证,但其发生机制却无相关的研究报道;再者,目前对α-Fe2O3电子结构的改善方法主要集中于元素掺杂,考虑到二维材料具有多变可调的电子结构和优异的理化性质,因此二维α-Fe2O3潜在的光电化学性能十分值得期待。基于这两个问题,本文研究了高温处理以及二维化对α-Fe2O3光阳极光电化学性能的影响,主要研究内容如下:高温处理对Ti:Fe2O3光阳极开启电势的影响机制研究。本文通过对Ti掺杂α-Fe2O3光阳极在750℃条件下进行10分钟高温处理,该光阳极的饱和光电流提升至原先的两倍,但同时它的开启电势也发生了 100mV的正移,这不利于低偏压下的水氧化反应进行。基础的表征测试表明,高温处理后Ti:Fe2O3光阳极的形貌、物相、晶粒尺寸、光吸收能力并未发生变化,但XPS测试表明其表面的Ti元素含量升高、氢氧吸附基团含量减少,同时Mott-Schottky测试表明其平带电势发生了 100mV的正移,而光阳极的平带电势可以被理解为其理论开启电势。因此,开启电势的提高可以初步归因于平带电势的提高。进一步,在用PEIS测试排除了表面态对平带电势的影响后,结合第一性原理计算结果,我们提出如下的影响机制:高温处理使得Ti:Fe2O3光阳极表面的Ti元素含量升高,进而减弱了氢氧根在表面的吸附能力,引起亥姆霍兹层电势降VH变化,导致平带电势、开启电势的正移。该机制提示我们后续研究可以围绕表面修饰展开,以期消除高温处理对Ti:Fe2O3光阳极开启电势的不利影响。基于第一性原理的二维Fe2O3电子结构及分解水产氧性能研究。本文利用DFT+U理论计算方法对比了二维Fe2O3与三维块材Fe2O3的电子结构差异,计算结果表明,二维化将使该材料的带隙缩小,从原先的2.17eV减小至1.62eV,这将提升该材料的理论太阳能转化效率;另外,二维化也使其导带边位置相比于三维块材Fe2O3表面模型发生70mV的上移,这将降低该材料的理论开启电势。进一步,原子分波投影的能带结构计算以及(110)晶面间距大小计算表明,二维化带来的表面态以及缩小的原子层间距可能是其电子结构发生较大变化的主要原因。本文还利用DFT+U理论计算方法对比了二维Fe2O3与三维块材Fe2O3的水氧化性能差异,计算结果表明,二维化将使其水氧化过电势从原先的1.19V降低至1.15V,有利于该材料在低偏压下的水氧化反应。因此该工作从理论计算角度指出二维Fe2O3具有比三维块材Fe2O3更加优异的光电化学性能,值得进行后续的深入实验探究。