能源与环境是人类社会发展的基础。自工业革命以来,化石能源的大量使用给环境带来了巨大的压力,可再生清洁能源的开发俨然成为了人类可持续发展的必然要求。氢能是一种高能量密度的清洁能源,用途广泛,并且有望替代传统化石能源。高效制备氢能是解决环境问题与能源危机的有效途径之一,其中半导体光电极光电化学分解水制氢能够将太阳能转化为氢能,是高效的能源转换技术。当半导体电极吸收光子能量超过其禁带能隙时,会产生光生电子空穴对,在空间电荷层的分离作用下,光生电子和空穴分别发生还原和氧化反应完成水分解制氢的过程。这种空间电荷层主要是由半导体电极在与电解液接触后产生的能带弯曲形成,因此光生电荷的分离和反应主要发生在电极与电解液接触界面。所以,探究半导体光电极和电解液的界面电荷传输机制,增强光生电荷的界面分离和传输是光电极材料选择和改性研究的重点。通常,由于半导体材料本身固有的缺陷和一些外在因素的影响,在半导体电极表面会存在能够捕获电子的表面态。此时,界面电荷的分离和传输不仅要受到空间电荷层的作用,还要考虑表面态带来的影响。因此,需要对表面态的形成及其影响界面电荷传输的机制进行深入研究,这对新型半导体电荷传输机制的理解和传统半导体的改性工作都具有重要的指导作用。电化学掺杂是在电极表面引入表面态的方法之一,通过电子和质子的共同作用能够在电极表面生成表面极化子态,提高电极的光电化学性能。然而,目前对于半导体光电极表面极化子态的研究还不够成熟,电化学掺杂对电极性能影响的具体机制还不够清晰。因此,本文以单晶金红石TiO2纳米棒阵列电极作为研究对象,探究由电化学掺杂在电极表面引入的表面极化子态对界面电荷分离和传输的影响。在对电化学掺杂有一定认知的情况下,将电化学掺杂的方法应用于金属氧化物半导体粉末质子化研究中,以改善半导体粉末的催化性能。主要研究内容如下:一、单晶TiO2纳米棒阵列表面极化子态增强电荷分离和传输。在已报道有关电化学掺杂的研究中,有研究者认为电化学掺杂对电极光电化学性能的提升源于对表面晶界的钝化,减少了光生载流子的复合。为避免晶界钝化效应的干扰,本文将单晶金红石型TiO2纳米棒阵列电极作为研究对象以探究电化学掺杂对电极的影响。利用外加负偏压对电极进行电化学掺杂后发现,单晶纳米棒电极的饱和光电流密度明显提升。物相表征确认了电化学掺杂后的电极表面上形成Ti3+-OH结构的表面极化子态,光电化学测试与原位光谱分析确认表面极化子态能够捕获及存储光生电荷,并且外加偏压能够调节极化子态密度以分离和传输载流子。以上研究结果证实了由电化学掺杂形成的表面极化子态是增强电极光电化学性能的主要原因,并且由平板单晶电极的对比结果说明通过极化子态进行的电荷分离传输与电极/电解液接触界面的面积密切相关。二、金属氧化物半导体粉末电化学质子化增强表面电子传输。通常,金属氧化物半导体粉末化学性质稳定,需要极端条件才能完成氢化处理,增强其催化性能。借鉴于使TiO2电极表面质子化的电化学方法,本文将采用类似的电化学掺杂方法对TiO2粉末表面进行氢化处理。对处理后的粉末进行物相表征发现,这种电化学掺杂方法能够得到表面氢化的高活性粉末,并且质子化程度与外加偏压密切相关。同时,将这种方法应用于其他半导体粉末中,这些粉末表面都发生了一定程度上的氢化,从而证明利用电化学方法进行质子化的普适性。光电化学测试结果表明,质子化后的样品界面电荷传输电阻降低,光电化学性能得到了提升。这种电化学掺杂的方法通过电子和质子的共同作用,在半导体粉末表面形成极化子态,增强了粉末的催化性能,并且无需极端的反应条件,调节外加偏压就可精确控制质子化程度,为半导体粉末质子化提供了简便且经济高效的绿色路线。