当前社会的能源基础设施严重依赖化石燃料,但相关的环境污染、能源危机和气候政策可能正在逐渐改变这一状况,并推动全球对环境友好和持续能源生产的需求。高效半导体催化剂的开发模仿了自然光合作用的催化功能,从水和阳光中产生化学燃料,提出了一种有前途的可再生资源绿色生产模式。随着现代材料表征技术和电子结构计算的发展,催化剂表面性质被逐渐确认为纳米催化材料的重要组成部分之一,与其光化学反应中的动力学、热力学和反应机理密切关联。目前报道的高效光催化体系,其中的光吸收以及能级结构相关的问题已经被系统的研究和报道,但表面性质相关的课题尚未得到充分的探讨。面对这一问题,为了系统研究材料表面特性在光催化体系中的种种影响,推动高效的光催化剂的合理设计,本论文的工作将从下面两个方向展开:1.利用表面各向异性的卤氧化铋纳米材料为模型,我们通过有机聚合物的晶面选择性覆盖将金属纳米颗粒负载于不同晶面,协同半导体材料内部的各向异性的电荷分离和助催化剂的电荷转移作用,增强电荷载流子的相关过程,从而提高光催化活性;2.在第二部分工作中,我们利用卤氧化铋材料表面的缺陷位点,将层状硫化钼催化剂进行表面锚定。通过一系列实验证明,材料表面的空位不仅对硫化钼的附着过程产生了重要的影响,使其明显不同于那些范德华异质结构,而且对所建立的体系中电荷-载流子参与的过程的改善做出了重要贡献,促进载流子过程,从而提升光催化活性。本论文阐述主要分为以下四个部分:首先,对光催化的发展进程进行介绍,简要描述半导体材料的光催化作用机理,并对目前国内外光催化领域的最新研究报道进行总结。概述了一些较为常用的高效光催化剂系统构建方法,从理论和实际出发,分析这些广被研究方法的应用机理。并结合最新的科研进展,探讨了可行的新型高效催化剂的构建策略。我们从材料表面各向异性出发,通过助催化剂在材料不同晶面的选择性负载来协同增强体系对于光生载流子的控制。首先,通过水热法合成的BiOCl纳米片。经过理论计算和选择性光沉积实验,我们确定了光生电子及空穴在不同晶面富集的各向异性。在此基础上,我们利用有机聚合物晶面选择性掩蔽的特性,将金属纳米催化剂选择性负载于BiOCl纳米片不同晶面。经过一系列实验证明,金属助催化剂的电荷捕获作用于半导体材料的电荷分布各向异性可以相互协同,实现了空间分离的反应位点、单功能电子/空穴流界面,并最大限度地实现了它们的转移,这与纳米片形貌的各向异性电荷分布密切相关。我们从材料表面的缺陷特性出发,通过水热合成法合成形貌规整的富含空位的BiOCl纳米片,随后利用BiOCl表面的氧空位特性,通过热回流将硫化钼负载,并得到区别于范德华异质结构的复合体系结构。同时,通过煅烧控制BiOCl的空位浓度,得到了一系列具有不同性质的BiOCl-MoS2复合材料。通过一系列的表征实验,证明了表面空位不仅在MoS2-BiOCl的复合过程中发挥了重要作用,使该结构明显不同于范德华异质结构,也为系统电荷载流子过程的有效提升做出了极大的贡献作用。最后,我们对上述研究工作中所得出的结论进行了归纳总结,并结合目前半导体光催化领域纳米材料相关的最新进展,在所学知识范围内,对未来高效纳米催化剂的可能构建策略提出了新的构想。