光电催化（PEC）工艺是一种高效的水净化技术。其中,新型设计和制备的PEC材料是水污染治理的关键。然而,传统PEC体系中电极材料的界面反应仍面临着高催化效率和低反应能耗的挑战。近年来一维和二维纳米结构的电极材料的发展为研制新型高效的PEC体系提供了机遇。针对水中普遍共存的重金属离子和新兴有机及PPCPs类污染物,本论文基于TiO2纳米线阵列（TNA）电极开展了各种复合电极材料的设计、制备及其对水中混合污染物的同步还原和氧化性能与机制研究,以期实现PEC体系下水中各种重金属离子和有机污染物的快速还原转化和同步氧化降解,主要研究成果如下:（1）通过N修饰的碳量子点（NCDs）调控TiO2纳米线阵列（TiO2 NA）表面富集的氧空位（Vo）,发现NCDs的引入不仅可以优化TiO2 NA的带隙结构,而且能够原位稳定TiO2 NA中的Vo层。研究结果表明,优化的NCDs/TiO2 NA-Vo光阳极对四环素（TC）具有较高的PEC活性和循环稳定性,其降解速率常数分别是TiO2 NA-Vo和TiO2NA光阳极的2倍和3倍,且连续8次循环后仍保持较高的氧化降解效率。电子自旋共振（ESR）和荧光（PL）光谱证实NCDs/TiO2 NA-Vo电极在可见光驱动下具有优越的PEC活性归因于NCDs有效稳定的TiO2 NA中的Vo层有助于产生更多的·OH、O2·﹣和1O2。（2）通过引入Pd纳米颗粒（NPs）到生长有缺陷态Mo S2（DMS）的TiO2纳米线阵列（TNA）电极上,制备出TNA/DMS/Pd电极并作为光阴极对同步还原Cr（VI）和氧化BPA展现优异的PEC性能:实现95%的Cr（VI）快速还原为Cr（III）（10 min）和97%的BPA同步氧化（30 min）且矿化效率达到75%。对比TNA和TNA/DMS光阴极,TNA/DMS/Pd光阴极对Cr（VI）的还原反应动力学常数分别提高了24倍和5倍,对BPA的氧化反应动力学常数分别提高了6倍和3倍。各种表征和实验结果表明TNA/DMS/Pd光阴极具备优越的PEC活性主要归因于TNA和DMS之间界面异质结的构建促进了光阴极界面上光生载流子的分离和转移,提供的额外光生电子降低了HER反应过电位,为H*的形成创造合适的微环境。更重要的是,Pd NPs的引入稳定了TNA/DMS光阴极界面产生的H*,使其能够快速还原Cr（VI）并与PEC体系中溶解氧结合生成H2O2,进而分解为·OH氧化BPA。H*的有效利用开辟了同步还原和氧化反应路径。（3）基于第一性原理计算的结果,通过在SnS2原子层（AL）中掺入氧原子能够产生局部有利的S原子富电子状态来调节H*的行为。接着,通过降低OOH*的活化能垒（速率决定步骤）,精细调控的H*能够使H2O2生成过电位降低12倍（H*–OOH*–H2O2–·OH）。基于此,在单一的Sn S1.85O0.15 AL@TNA光阴极界面上构建了适用于宽pH范围（3–11）的H*–·OH新型氧化还原对。实验结果表明,Sn S1.85O0.15 AL@TNA光阴极在10 min内展示出～90%的Cr（VI）还原和～70%的4-NP的总有机碳（TOC）去除效率,比没有氧掺入的情况分别高出近2倍和3倍。ESR光谱和自由基淬灭实验证实了H*和其通过3电子路径派生的·OH是主要的活性物种。原位Raman光谱揭示了稳定的SnO2相有助于不断激活H*–·OH产生。