由于化石能源的不断消耗，使人类面临着能源短缺和环境污染两大问题，而光催化具有低成本，环境友好等优点，并且具有同时解决能源与环境问题的潜力，因而引起了研究者的极大关注。经过科研人员坚持不懈的努力，同时借助于先进的纳米技术和表征方法，光催化的研究已经取得了长足的进展。现在已经开发出大量的光催化剂，其中一些已被用于商业化的空气净化器，自清洁涂覆材料和抗菌材料等。尽管如此，光催化效率仍不能满足其他重要应用的要求，例如光解水产氢，人工模拟光合作用以及空气和水中污染物的降解等。因此进一步提高光催化的效率，探索新的高活性光催化剂仍然是一项紧迫的任务和巨大的挑战。对于一个典型的光催化反应，一般分为以下三个步骤：(1)光子的吸收；(2)光生电子-空穴对的分离与传输；(3)表面活性中心上的化学反应，其中光生电子-空穴对的分离与传输是影响材料光催化性能的关键步骤。然而，由于材料自身载流子扩散长度的限制，一部分体相光生电荷在向材料表面的迁移过程中会因复合而损失掉。因此，如何抑制光生电荷在传输过程中的复合，提高光生电荷的分离效率，成为设计和制备高效光催化材料的关键。构筑异质结/同质结是提高光生电荷分离效率的有效手段之一，异质结/同质结界面处存在一个自建电场，此电场会使光生电子-空穴对发生定向分离，从而提高光生电荷的分离效率。在异质结/同质结光催化材料中，构成结的两种材料的费米能级位置决定了界面自建电场的特性，其中界面自建电场的方向决定了光生电荷的分离方向，界面自建电场的大小决定了光生电荷的分离效率，因此可以通过调控材料费米能级的位置来调控界面的特性，进而调控光生电荷的行为，以获得较高的光催化性能。本论文选取ZnO/Cu2O异质结和p-n Cu2O同质结光催化材料等为模型，通过表面光伏等方法研究材料中界面的特性对光生电荷行为的影响，探讨不同电荷行为下材料的光催化性能，旨在建立材料界面特性、光生电荷行为、光催化性能三者之间的联系，为设计和制备高效的光催化材料提供理论和实验上的依据；同时，通过研究光生电子-空穴对的分离与传输过程，探讨影响光生电荷行为的机制，揭示光催化中与光物理相关的机理过程。本论文的研究内容分为以下几部分：1、Cu2O/ZnO异质结中界面特性与光生电荷分离方向的研究：针对异质结光催化材料中光生电荷分离方向的不确定性问题，我们设计了薄膜结构的Cu2O/ZnO异质结构电极，并将其作为模型，研究了界面自建电场的方向及其对光生电荷分离方向的影响。实验发现，当用紫外光激发时，光子主要被外层的Cu2O吸收，光生电荷在Cu2O自身表面带弯的作用下分离。当用可见光激发时，光子可以穿透整个Cu2O/ZnO异质结电极，在界面自建电场的作用下，光生电子由Cu2O向ZnO转移，光生空穴积累在Cu2O中，即界面自建电场对光生电荷的分离起主导作用。当改变薄膜的生长次序时，ZnO和Cu2O之间界面自建电场的方向发生改变，光生电荷的分离方向也随之改变，迁移至电极表面的光生电荷的种类决定了光催化反应的选择性。对光生电荷分离方向的研究，能够为针对特定的化学反应设计光催化材料提供理论依据。2、Cu2O/ZnO异质结中界面特性与光生电荷分离效率的研究：为了深入研究界面自建电场对光生电荷分离效率的影响，我们设计了Cu2O/ZnO纳米棒阵列异质结，并通过改变Cu2O的费米能级位置，研究了界面自建电场的大小及其对光生电荷分离效率的影响。实验发现，当电解液的pH值为11.0时，制备的Cu2O受主浓度最高，为3.01×1017cm-3，即在此条件下制备的Cu2O具有最低的费米能级，与ZnO之间的费米能级差最大。Cu2O (pH11.0)/ZnO纳米棒阵列的表面光伏响应在光照之后80ns时就开始产生，并且其响应强度最高，为0.28mV。最快、最强的表面光伏响应对应着最高的光生电荷分离效率，因此Cu2O (pH11.0)/ZnO纳米棒阵列具有最高的光催化性能。对异质结构光催化材料界面自建电场大小的调控，可以寻找影响光生电荷分离效率的因素，为设计和制备材料提供理论依据。3、p-n Cu2O同质结中界面特性与光催化性能的研究：为了避免异质结中由于晶格失配所导致的界面态问题，我们设计了p-n Cu2O同质结薄膜电极，并将其作为模型，研究了界面特性及其对光生电荷的分离方向和分离效率以及最终的光催化性能的影响。实验发现，当电解液的pH值为9.0时，制备的Cu2O受主浓度最高，为5.51×1016cm-3，此电极与电解液pH值为4.9条件下制备的n-Cu2O构成同质结之后具有最大的界面自建电场。从Mott-Schottky曲线上可以看出p-nCu2O (pH9.0+pH4.9)具有最大的平带电位为0.92V，说明其界面自建电场强度最大。表面光伏的结果也表明，对于p-n Cu2O (pH9.0+pH4.9)，光生电子在界面自建电场的作用下向表面迁移，其数量高于其他条件下制备的同质结电极。当进行光催化反应时，由于其具有最高的光生电荷分离效率，因此具有最高的光催化性能。同质结的设计能够提高光生电荷的分离效率，同时为制备高性能的界面型光催化材料提供了一个思路。4、Fe2O3同质结纳米棒阵列电极用于光电化学分解水：针对Fe2O3自身少数载流子扩散长度较短的缺点，我们设计了Ti掺杂的Fe2O3纳米颗粒与单纯Fe2O3纳米棒阵列构成的同质结电极，分析了Fe2O3/Ti-Fe2O3同质结中载流子的动力学行为。实验发现，构筑同质结之后光生电荷的分离效率和寿命提高，因此其光电化学分解水的能力提高。