环境污染的日益严峻和能源需求的不断增长,是当今世界共同面对的两大挑战。低成本且环境友好的无机半导体材料光催化体系,兼具解决能源与环境问题的巨大潜力。经过科研工作者四十多年的不懈努力,在光催化/光电催化分解水、光催化CO2还原、光催化降解有机污染物等光催化领域,都取得了极大的进展,开发出了许多高性能的光催化体系。尽管如此,半导体光催化材料的光催化效率仍然很低,不足以满足实际生产应用的需求。基于半导体材料的光催化反应,主要分为三个过程:（1）半导体吸收光子产生电子-空穴对;（2）光生电荷的分离、迁移和复合;（3）光生电荷在表面活性位点参与氧化还原反应。光催化剂的活性,是上述三个过程热力学与动力学平衡的结果,也就是说,理想的光催化剂应该同时具有三个特性,即较宽的光谱吸收范围、高效的电荷分离与传输性能以及表面化学反应的快速发生。科研工作者提出了许多半导体改性的策略,诸如金属/非金属掺杂、增加表面缺陷密度、异质结/同质结光催化剂的构建、助催化剂的负载等,用以提高半导体光催化剂的上述性能。事实上,上述策略可以被分为两类,即光催化剂的表面与界面调控。表面效应和界面效应是影响无机半导体光催化材料性能的重要因素,一方面,氧化还原反应直接在半导体表面发生,因此半导体的表面状态会直接影响表面化学反应的速率和选择性,因此,合理的表面设计可以提高半导体光催化剂的活性和光催化反应的选择性。另一方面,复合光催化材料的界面会直接影响光生电荷的分离、传输与注入过程,因此合理的界面设计可以促进光生电荷的定向分离,抑制光生电荷在传输过程中的复合,从而提升半导体光催化剂的性能。本论文主要讨论半导体光催化材料的表面调控和界面调控,旨在建立材料的表/界面特性、光生电荷迁移以及光催化活性三者之间的联系,为设计与制备高效的表/界面型光催化材料提供理论上的支持。本论文主要由以下四部分组成:1.Ni掺杂对Cd S纳米棒表面态及光催化性能的影响:针对表面态的存在对半导体材料光催化性能的影响存在的争议,我们选择表面态丰富的Cd S纳米棒为模型,并通过Ni掺杂的方法继续丰富其表面态。采用表面光电压谱、基于调制频率的表面光电压测试、外加偏光的表面光电压测试以及瞬态表面光电压测试,对Ni掺杂前后的Cd S纳米棒的表面态性质进行了分析。实验结果表明,少量Ni掺杂可以丰富Cd S纳米棒的浅表面态,而过量Ni掺杂则会丰富Cd S纳米棒的深表面态。浅表面态的存在能有效提高光生电荷的分离效率,延长光生电子的寿命,因而可以提升Cd S纳米棒光催化分解水的活性。2.表面态的类型对Cd S纳米晶体光催化性能的影响:通过表面活性剂的使用,分别构建了受体表面态和给体表面态丰富的Cd S纳米晶样品,利用表面光电压谱及瞬态光电压测试,研究了不同表面态类型对光生电荷的捕获作用。同时建立了表面态捕获的光生电荷与光催化反应中的活性物种间的内在联系。不同表面态类型的Cd S纳米晶在光催化反应的过程中可以产生不同类型的·OH自由基,因此导致了截然不同的Rh B降解机理,也就是说,表面态的位置和类型都能对半导体材料的光催化性能产生巨大的影响。3.Ni₂P助催化剂对Ti-Fe₂O₃光电极固-液界面空穴注入效率的影响:针对TiFe₂O₃光阳极光生空穴向电解液中注入效率过低的问题,我们设计了助催化剂Ni₂P负载的Ti-Fe₂O₃光阳极。主要通过电化学测试手段,研究了光生电荷的分离效率与光生空穴在固-液界面（即光阳极/电解液界面）之间的传递。实验发现,Ni₂P助催化剂的主要作用为提高光生空穴的注入效率和抑制水氧化过程的逆反应发生。负载了Ni₂P助催化剂之后,Ti-Fe₂O₃光阳极的光电流起始电位可以向负电位方向移动140 m V,在1.23V vs.RHE,光电流密度最多可以提升3倍。4.CoO_x助催化剂与Ti-Fe₂O₃光电极间金属电荷传输通道的构建及其对光电化学水氧化性能的影响:针对光阳极与助催化剂界面之间电荷传输不通畅的问题,我们在Co O_x助催化剂与Ti-Fe₂O₃光电极之间设计了一个金属Co电荷传输通道,利用表面光电压相关技术和电化学测试手段,分析了光生电荷在固-固界面（即光电极/助催化剂界面）间的转移过程。实验结果表明,光激发Ti-Fe₂O₃产生的光生空穴在界面电场的作用下注入到助催化剂后,可以快速通过金属Co通道转移到Co O_x表面,参与水氧化反应。通过金属电荷传输通道的构建,Ti-Fe₂O₃光阳极的光电流起始电位可以向负电位方向移动150 m V,在1.23V vs.RHE,光电流密度最多可以提升7倍。