化石能源的大规模使用造成的环境问题,与其日趋枯竭引发的能源危机,以及化石能源燃烧产物CO₂所引起的温室效应,促使人类必须开发出清洁、无污染、可持续利用的替代能源。新一代太阳能技术是解决上述问题的关键,而其中关键材料的开发无疑成为重中之重。基于氧化物的多级结构光催化能源材料作为材料家族的重要一员具有广阔的应用前景。与此同时,基于氧化物发展的光催化能源材料实现水分解和CO₂还原已经备受科研工作者的青睐,但受限于材料的设计、优化以及先进的光催化体系开发,在提高光催化效率、设计优化新型高效的光催化剂、以及催化剂的回收和再生等方面还有待于进一步研究探索。基于以上研究现状,我们开展了本论文的研究工作。主要从优异光催化体系的构筑与优化出发,通过材料多级结构设计、表面缺陷控制,以及优化复合等途径获得系列多级结构无机光催化剂,并系统研究了它们的光催化产H₂、产O₂性能；与此同时,探索新型碳基复合类金属光催化材料,尤其是体系的构筑与优化,发现了MOF衍生复合材料在光催化CO₂还原方面的潜在应用。本论文主要包括以下几个方面内容：1.采用“自模板”合成策略制备多壳层空心CeO₂微纳材料。多壳层空心CeO₂微纳材料用于紫外光催化水分解制O₂,相比较与双壳层空心球,单壳层空心球和商业CeO₂光催化剂,催化活性和稳定剂均大大提高。进一步,在材料结构设计的同时,表面缺陷可调控的莹石型CeO₂纳米棒在可见光催化产O₂方面的研究。与空气中800℃下后处理得到的样品相比较,Ar-H₂混合气处理的CeO₂纳米棒的可见光催化分解水活性提高10倍。详细的表征和理论分析揭示：在CeO₂表面存在的氧空位和Ce³⁺是其活性提高的关键因素。2.在控制材料结构及表面的基础上,采用一锅法水热将Cu₂O纳米团簇原位均匀生长于TiO₂纳米盘表面,并以其为催化剂进行光催化产H₂研究,当TiO₂纳米片表面负载纳米Cu₂O团簇后,加快表面电子传递,从而大大地提高电子空穴对分离效率。更为值得关注的是,Cu₂O/TiO₂表现出高于贵金属Au纳米颗粒负载的TiO₂纳米盘的光催化产H₂效果。极好的光催化稳定性,也说明廉价Cu₂O团簇负载形成的表面异质结是提高电子和空穴分离效率的重要方法。3.最后,尝试控制无机光催化复合材料的结构以及成分,通过超声法合成片层Co-MOF74,并在Ar气中碳化处理,制备Co@C/Co-C碳基复合材料,从而实现Co/C成分的调控。进一步,确定碳基复合材料1200-Co@C/Co-C结合Ru（bpy）32+在CO₂转化生成CO过程中,具有最高的活性。实验发现,这种类金属复合材料具有超高的电子传输能力,其中金属Co成分是CO₂还原的活性中心,而石墨化碳成分则在CO₂的吸附和光生电子传输能力的提高方面起到至关重要的作用。更重要的是,首次提出这种新型的高稳定性类金属材料结合金属配合物分子体系（Co-C结合Ru（bpy）32+）的概念,并将Co@C/Co-C复合材料成功应用在可见光催化CO₂还原中。