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光催化反应是实现太阳能—化学能转换的重要途径,如光分解水制氢、还原CO2、光电化学水氧化等,具有绿色、环境友好等优点,受到广泛关注。无论哪一种光催化反应,目前研究重点在于发展高活性光催化剂,降低光生载流子复合,提高光催化性能。设计异质结构光催化剂是降低光生载流子复合最有效的方式之一。同时,深入认识和理解影响光催化反应中光生载流子动力学过程,有助于发展各类性能优异的光催化剂。本论文工作围绕异质结光催化剂的设计、光催化性能及界面光生电荷行为开展研究。论文取得了以下研究结果:（1）设计、制备Ti/α-Fe2O3/g-C3N4复合光催化剂。通过优化Ti/α-Fe2O3在g-C3N4上引入量（0.75Ti/α-Fe2O3/g-C3N4）获得最优的光分解水制氢性能。利用表面光电压（SPV和TPV）光谱与相位谱,并结合频率变化的光电压光谱分析,证实了在α-Fe2O3/g-C3N4固-固界面处存在界面电场,这种界面电场是界面电荷转移的驱动力。对于Ti/α-Fe2O3/g-C3N4复合光催化剂来讲,位于内部的Ti/α-Fe2O3与g-C3N4之间界面电场的方向与g-C3N4表面电场方向相反,进一步推测该复合催化剂符合Z型传输机制。（2）在g-C3N4表面原位生长SnS2,构筑一系列SnS2/g-C3N4复合光催化剂。研究发现,提高原位沉积温度,可显著提升光分解水制氢性能,在此基础上进一步优化了SnS2沉积量,其产氢速率达到928μmol h-1g-1。利用表面光电压技术（SPV和TPV）,获得长波长光激发下、界面电场为主导的光生电荷信息。结合简单理论计算和表面功函测试,进一步验证了SnS2/g-C3N4界面两种半导体间的功函差是界面处光生载流子传输的主要驱动力。对于2%SnS2/g-C3N4-120和2%SnS2/g-C3N4-180催化剂来讲,因其费米能级不同,恰好分别符合Type-II机制和Z型机制两种电荷转移机制。因此,通过调控界面半导体材料的费米能级可以有效调控二者之间的光生载流子转移过程。（3）发展了一系列NCN-CNx/CuInS2/AuNPs复合光催化剂,探究其光催化性能的影响因素及调控方法。通过Cu/In比来调控CuInS2中Cu空位,并结合DFT计算,调控CuInS2价带位置,并获得CuInS2/NCN-CNx最优能带结构;进一步在CuInS2/NCN-CNx上原位沉积Au纳米颗粒,利用Au纳米粒子的表面等离激元效应,拓宽NCN-CNx/CuInS2/AuNPs材料的吸光范围。利用表面光电压技术（SPV与TPV）,研究NCN-CNx/CuInS2固-固界面光生载流子行为。研究表明,CuInS2费米能级的调控可增强界面电场强度,并且NCN-CNx表面光电压负信号,而复合催化剂的界面电场方向从NCN-CNx到CuInS2,导致其SPV和TPV信号减弱,因此推断该异质结符合Z型电荷传输机制。通过调控Z型异质结界面电场及Au纳米粒子的表面等离激元的协同作用,提高光催化产氢活性,光分解水制氢速率达到10.72 mmol h-1g-1。（4）利用光沉积方法实现了将在SnS2表面构筑x SnS2/CsPbBr3异质结结构,将其用于光还原CO2反应。结合表面光电压、KPFM和瞬态吸收光谱,分析了CsPbBr3/SnS2固-固界面的光生载流子传输机制,其界面电场方向从CsPbBr3指向SnS2,验证了界面电荷传输符合Z型传输机制。最后,利用原位表面光电压光谱,模拟真实反应条件下CO2与CsPbBr3/SnS2界面电荷转移过程,初步探索了光催化剂与反应物之间的固-气界面处光生载流子行为。（5）以Cs2Ag Bi Br6作为光催化剂,探究CO2吸附在其表面后光生载流子行为。首先,在可见光范围内,Cs2Ag Bi Br6呈现负SPV信号,表明光生电子迁移并累积在照光侧,其最强信号在400～450 nm。在此基础上,进一步研究了CO2与Cs2Ag Bi Br6之间相互作用,包含CO2在催化剂表面吸附、气-固界面光生载流子转移过程。基于原位表面光电压光谱,发现光生电子直接转移给吸附在催化剂表面的CO2分子。DFT计算表明,CO2与Cs2Ag Bi Br6的三个金属离子相互作用的吸附能依次为:Bi-CO2＜Cs-CO2＜Ag-CO2,显然CO2分子与Bi3+的作用更稳定。因此,CO2更倾向于吸附在Bi3+上,并且根据差分电荷密度分析得到:在此结构下,光生电子会富集在CO2侧。此项工作为认识和理解光催化还原CO2中气-固界面光生载流子行为提供了一种新方法。