人类社会的发展离不开能源的消耗,而传统能源(煤、石油等)的日益减少以及所带来的环境问题促进了人们对可持续性清洁能源的研究,太阳能作为最具有潜力的可再生能源,已经成为21世纪的重点研究课题之一。近年来,基于半导体光催化过程进行太阳能的转化和存储已经发展成为一项极具潜力的前沿技术,其中高效稳定的光催化材料已然成为半导体光催化技术的核心部分。硫化镉(CdS)作为一种典型的过渡金属硫化物(Ⅱ-Ⅵ族)半导体,具有合适的带隙宽度(2.4eV)及能带位置,因其自身良好的可见光响应强度和反应活性使之成为一种备受关注的光催化剂。但是,CdS的光生载流子复合速率高,还存在严重的光腐蚀现象,这极大地限制了自身光催化效率的提高。因此,本论文以能带工程作为指导思想,从CdS自身结构调控出发,通过设计与构建不同的能带体系对CdS中光生载流子的空间行为进行优化,并对其相应的光催化机理进行了深入探究。具体研究工作主要包含四个部分:1.基于晶相工程,设计并制备出两相(立方相和六方相)异质结调控的CdS纳米光催化材料,该异质结能促使光生电子与空穴高效分离,极大地提高了材料的光催化产氢性能。通过调节酸碱环境实现了 CdS中立方相向六方相的过渡,成功地构建了相异质结。在此基础上控制生长时间,对两相之间的相界宽度进行调控,最终实现CdS能带结构的优化。相较于单纯的立方相或六方相CdS,这种具有合适相界宽度的相异质结CdS光催化剂的光生载流子寿命更长,并展现出优异的光催化产氢性能(4.9mmol·h-1·g-1),在光照100小时后仍可保持良好的稳定性,同时在420 nm波长处的量子效率达到41.5%。通过深入研究证实了合适的相界宽度可以有效地抑制CdS中光生载流子的复合,从而提高其光催化效率和光稳定性。2.基于能带工程,设计并制备了一种新颖的分层串联p-n异质结CdS/Ti3C2/CoO复合光催化材料,通过多重内建电场有效提升了光生载流子的存活寿命,实现了纯水中光解产氢。通过逐级搭建的方式实现了分层串联p-n异质结的构筑,利用Ti3C2良好的导电性和亲附性解决了 CdS(n型半导体)和CoO(p型半导体)之间的兼容性问题,同时建立了多重内建电场,高效抑制了光生电子与空穴的复合过程,实现了可见光照下纯水产氢(134.46μmol·h-1·g-1),打破了牺牲剂的限制。进一步研究发现,在多重内建电场的驱动下光生电子与空穴得到有效分离,避免了光生空穴在CdS上的聚集,进而有效抑制了 CdS的光腐蚀过程,从而保持优良的光稳定性(50 h)。3.设计并制备了一种多能级分离体系Ti3C2(Ti02)/CdS/MoS2复合光催化材料,通过多级分离步骤优化了光生载流子的空间行为,进一步提升了纯水中的光解产氢性能。其中MoS2与CdS之间的特殊能带匹配关系促进了光生电子向MoS2迁移,同时Ti3C2易被氧化的特点促使光生空穴向其自身迁移,其氧化产物Ti02与CdS之间建立了新的Z-scheme体系,进一步强化了上述过程。通过这种多能级分离体系实现了对CdS中光生电子与空穴分离方向的定向调控,进而显著地提升了光生载流子的存活寿命,有效抑制了 CdS的光腐蚀。该体系在纯水中的光产氢速率可达344.74 μmol·h-1·g-1,且保持良好的稳定性。这种设计理念为光解纯水产氢提供了新的优化思路。4.提出了能带匹配转换的概念,并基于此设计制备了 CdS/BCNNTs复合光催化材料,实现了Ⅰ类型异质结到Ⅱ类型异质结的转变,大幅提升了纯水光解产氢性能。首先通过第一性原理对BCNNTs的p-n同质结进行了探究,其形成机制主要来自异质原子间的电负性差异所引起的电荷分布变化,其次通过调节BCNNTs中的碳含量实现了能带宽度的调控与p-n同质结的优化,最终达到与CdS之间的能带匹配类型转变(I类型异质结到Ⅱ类型异质结)。并结合光沉积等实验进行了佐证,在能带匹配转变的过程中光生电子可以高效地迁移到CdS表面,光生空穴则迁移到BCNNTs内部,这种能级相对位置的变化与内建电场的引入有效地保证了光生载流子的反向迁移,极大地提高了它们的分离效率和存活寿命。这种复合光催化剂表现出优越的光解纯水产氢性能(526.02 μmol·h-1·g-1)和量子效率(4.01%at 420 nm),循环50小时后性能仍保持在98%。该工作为探索先进的光催化太阳能转化系统开辟了新的设计思路。