利用太阳光光电化学分解水是绿色、可持续产生氢能的有效途径。然而,目前该体系的转换效率普遍偏低,其瓶颈在于没有找到合适的光阳极材料能够高效且稳定的氧化水产氧。过渡金属氧化物半导体基于其优异的耐光腐蚀性,高的光生空穴氧化能力等优点,一直是光阳极材料中被寄予厚望的备选者。但此类材料也普遍存在带隙过大、可见光利用率低等缺点。目前,针对此类材料最有效的改进策略就是,通过掺杂能带工程拓宽金属氧化物光阳极的可见光响应。本论文的工作,就是基于对金属氧化物能带工程中杂质角色的认识,探寻实现杂质活化的根本因素及其内在活化机制,并将金属氧化物光阳极的可见光催化活性提高到一个崭新的阶段。具体工作可细分为以下三个部分（以Ti O2为研究模型）:（1）阴离子杂质掺杂金属氧化物,我们以最典型的氮掺杂二氧化钛为模型理论结合实验,其结果一致显示:氮杂质在二氧化钛带隙中引入一个高度局域化中间能级,高度局域化杂质能级虽然提高了二氧化钛可见光光吸收能力,但同时也充当复合中心的角色,从而极大地降低了紫外波段的催化活性,并表现出微不足道的可见光响应;然而,大量氧空位的引入是实现氮杂质活化的关键因素。深入研究发现,氧空位通过其过剩电子的转移和重新分布,促使N 2p轨道与O 2p轨道充分混合杂化,从而引起氮的带间杂质态实现从高度局域到非局域化的根本转变,最终表现在光生载流子的寿命得到有效的提高,而对应的关键性因素?光生电荷分离效率提高了整整一个数量级。此外,我们的横向拓展实验显示,氧空位对氧化物光阳极中阴离子杂质的这种活化作用具有广泛的普适性,其中包括Zn O、Bi VO4等氧化物光阳极,以及碳、硫等阴离子杂质。（2）接着,我们将氧空位这种作用进一步拓展到金属离子掺杂的氧化物光阳极（以Cr掺杂Ti O2为研究对象）。理论结合实验的研究结果一致显示:铬和氧空位共掺杂的二氧化钛表现出来的可见光催化活性是二者协同作用的结果,其中,铬在带隙间引入杂质能级促进了二氧化钛的可见光吸收能力,而氧空位充当施主促进了二氧化钛中载流子电学传导特性,提高了光生载流子的分离和注入效率。最终优化后的铬和氧空位共掺杂二氧化钛,在没有任何助催化剂的条件下,其在450 nm的单色可见光下表现出6.8%的光电化学转换效率,这个结果代表了目前金属原子掺杂二氧化钛的最佳性能。更重要的是,铬和氧空位共掺杂后的二氧化钛在100小时持续可见光光照下,催化活性没有出现明显衰减。（3）结合离子注入技术在掺杂方面可提供高纯原子分散杂质和对杂质在氧化物中分布高度可控等优点,我们成功构筑碳、氮二元杂质之间良好的协同效果,其结果伴随着更多的替代位氮杂质态（N-Ti）和Ti3+（氧空位）的生成。前者促进二氧化钛可见光光吸收进一步增强,后者确保光生电荷高效分离和注入。因此,离子注入碳、氮共掺杂实现了二氧化钛在可见光催化活性“点石成金”的转变,其在450 nm的可见单色光下,光电转换效率达到空前的14.8%,远远高于未改性二氧化钛的0.03%。总之,我们相信根据目前对杂质活化的崭新认识,并结合离子注入技术高度可控和异质原子掺杂策略,可以进一步拓宽其它氧化物半导体光电极的光响应范围,从而获得高效太阳光分解水。