随着能源与环境危机的不断加剧,人们寻找新型绿色能源的脚步从未停息。太阳能作为地球上最为重要的能量来源,因具有广泛性、体量巨大、清洁无污染等诸多优点,成为了替代传统化石能源最具潜力的可再生能源。将太阳能转化为化学能在多种太阳能利用途径中具有广阔的前景,能够为众多领域提供连续且灵活的能源供给。然而,将太阳能转化为化学能过程的产业化仍然受制于极其低下的转化效率,这也使得开发具有高活性、高稳定性且廉价易得的光催化剂成为当今绿色能源领域的研究重点。半导体光催化剂催化太阳能转化的过程主要包括光生载流子的生成、传输、复合与反应。因此,光生载流子的利用效率是决定半导体光催化剂整体效率的核心因素。提升半导体光催化剂载流子利用效率的主要方法有:拓宽光吸收与利用的波长范围、提高电荷传导性能、减少电子与空穴的复合中心以及加快表面催化反应速率。本论文便通过以上各方面实现对半导体光催化剂载流子利用效率的提高,进而提升光催化剂活性及催化能量转化效率。首先,本论文主要研究的对象为具有可见光吸收性能以及较高理论光能转化效率的半导体材料,以确保其光生载流子的有效生成,其中,氮化钽与三氧化二铁半导体光催化剂均表现出了十分优异的光催化活性而被选为研究的重点;其次,通过对氮化钽纳米管阵列光电阳极制备过程中阳极氧化方法的改进、阳极氧化时间与电压的优化,提高氮化钽纳米管阵列与基底之间的连接强度,从而增强氮化钽纳米管阵列光电阳极的载流子传导性能,以达到提高其光催化水分解反应活性的目的;再次,通过原子层沉积的方法于氮化钽薄膜电极的表面生长超薄二氧化钛。此二氧化钛层能够十分显著的消除氮化钽薄膜电极的表面态,从而减少了表面电子空穴复合中心,因而降低了其光催化水氧化过电势。试验中发现,当原子层沉积循环次数达到十次时,氮化钽表面能够较完全地被薄膜状分布的二氧化钛覆盖,其表面态能够被较为充分地消除,并表现出最为优异的光催化水分解制氢活性。最后,通过设计并负载碳纳米点与四氧化三钴纳米颗粒双助催化剂的方法,大幅度的提升了光生载流子在三氧化二铁表面反应的动力学。通过对反应体系中双氧水生成量的检测,验证了不同助催化剂之间存在着协同作用,促进三氧化二铁表面发生“两步两空穴”的水氧化反应过程。