The key challenge within artificial photosynthesis is achieving efficient electro- or photo-driven water oxidation catalysis, a necessary process to supply the protons for the reduction reactions, thereby enabling solar fuel production. To facilitate efficient water (photo)electrolysis for solar fuel production, this thesis focuses on two aspects: 1) elucidating the O-O bond formation mechanism and developing efficient, stable, and economical water oxidation catalysts (WOCs); 2) exploring stable, low-cost, light-absorbing photoanode materials that have suitable band structures and excellent charge diffusion properties.

Chapter 1 provides an overview of the development of homogeneous and heterogeneous WOCs, with a particular emphasis on the catalytic mechanisms. Subsequently, it introduces the advancements in light-harvesting materials for photoelectrochemical cells and highlights the progress in the burgeoning field of lead halide perovskite-based photoanodes.

Chapter 2 clarifies the physical and electrochemical characterization methodologies, along with the protocols employed for mechanistic investigations in this thesis.

Chapter 3 introduces a host-guest complex, self-assembled through Co²⁺ and cucurbit[5]uril (CB[5]), as a supramolecular WOC. This catalyst, Co@CB[5], was immobilized on indium tin oxide substrate and BiVO₄ photoanode for electrochemical and photoelectrochemical water oxidation. The role of Co@CB[5] in interfacial charge transfer is investigated by spectroscopic and electrochemical studies.

Chapter 4 reports a molecularly well-defined heterogeneous WOC with aza-fused, π-conjugated microporous polymer coordinated single cobalt sites (Aza-CMP-Co). Integrating experimental and theoretical results, this work highlights the significance of electrolyte pH and the role of regulating the intramolecular hydroxyl nucleophilic attack pathway in enhancing water oxidation activity.

Chapter 5 presents a stable formamidinium lead bromide (FAPbBr₃) photoanode for water oxidation to achieve an exceptionally low onset potential. Theoretical calculations and spectroscopic characterizations reveal the origin of low onset potential, which offers pivotal insights in guiding the development of photovoltaic material-based photoelectrodes for solar fuel applications.

Den huvudsakliga utmaningen inom artificiell fotosyntes är att uppnå effektiv elektro- eller fotodriven vattenoxidationskatalys, en nödvändig process för att tillhandahålla protoner för reduktionsreaktioner, vilket möjliggör produktion av solbränsle. För att underlätta effektiv vatten(foto)elektrolys för produktion av solbränsle fokuserar denna avhandling på två aspekter: 1) klargörande av O-O-bindningens bildningsmekanism och utveckling av effektiva, stabila och ekonomiska vattenoxidationskatalysatorer (WOCs); 2) utforskning av stabila, lågkostnads, ljusabsorberande fotoanodematerial som har lämpliga bandstrukturer och utmärkta egenskaper för laddningsdiffusion.

Kapitel 1 ger en översikt över utvecklingen av homogena och heterogena WOCs, med särskilt fokus på katalytiska mekanismer. Därefter introduceras framstegen inom ljusinsamlingsmaterial för fotoelektrokemiska celler och framstegen inom det växande området av blyhalid-perovskitbaserade fotoanoder lyfts fram.

Kapitel 2 klargör de fysiska och elektrokemiska karakteriseringsmetoderna, tillsammans med de protokoll som används för mekanismundersökningar i denna avhandling.

Kapitel 3 introducerar ett värd-gäst-komplex, självmonterat genom Co²⁺ och cucurbit[5]uril (CB[5]), som en supramolekylär WOC. Denna katalysator, Co@CB[5], immobiliserades på substrat av indiumtennoxid och BiVO₄-fotoanoder för elektrokemisk och fotoelektrokemisk vattenoxidation. Rollen för Co@CB[5] i gränsskiktets laddningstransfer undersöks genom spektroskopisk och elektrokemiska studier.

Kapitel 4 redogör för en molekylärt väldefinierad heterogen WOC med kvävesammansatta, π-konjugerade mikroporösa polymerkoordinerade enskilda koboltställen (Aza-CMP-Co). Genom att integrera experimentella och teoretiska resultat belyser detta arbete betydelsen av elektrolytens pH och rollen av att reglera den intramolekylära hydroxyl-nukleofila anfallsvägen för att förbättra vattenoxidationsaktiviteten.

Kapitel 5 presenterar en stabil fotoanod av formamidinium blybromid (FAPbBr₃) för vattenoxidation för att uppnå en exceptionellt låg startpotential. Teoretiska beräkningar och spektroskopisk karakteriseringar avslöjar ursprunget till den låga startpotentialen, vilket ger avgörande insikter för den fortsatta utvecklingen av fotovoltaiska materialbaserade fotoelektroder för solbränsletillämpningar.