半导体光催化由于使用取之不竭的太阳能,被认为是有望解决能源与环境问题最具前景的技术之一。然而,光催化技术目前所面临的最主要问题是光能转换效率较低,制约着其广泛应用。提高半导体材料对光的吸收及促进电荷分离可以从根本上提高太阳能转换效率。黑色TiO2因其较大范围的太阳光吸收及良好的电荷传输性能引起了学者广泛的关注。借助氢溢流辅助氢化,本论文首先研究了在氢气气氛下热处理钛酸钾（KTO）纳米线,原位形成KTO-anatase异质结光催化剂及考察其光催化制氢性能。通过程序升温还原技术（H2-TPR）确定了合理的还原温度,发现在600°C下氢化处理的样品（H-600）可以有效的形成表面无定形缺陷层及KTO-anatase异质结。相比于没有氢化和异质结存在的KTO样品,H-600的活性提升了20倍有余。结合其它的表征分析,我们证实了异质结与无定形缺陷层都可以有效的促进光生电荷的分离,它们的协同作用有效的提升了H-600的光催化活性。在此工作的基础之上,我们发现此原位生成氢化异质结的方法也可适用于一些可以发生相转变的半导体材料,如TiO2,Ga2O3等。本部分中,我们选取了TiO2（B）纳米带作为进一步的研究对象。首先,通过水热的方法合成了TiO2（B）纳米带,通过对TiO2（B）纳米带样品在类似的条件下氢化处理,得到了具有表面无定形层结构的TiO2（B）-anatase异相结催化剂。这种通过原位的方法在氢化的过程中形成异质结与异相结,相比于其他类型的负载型催化剂,其相与相之间有着更紧密的接触,更有利于光生电荷的分离与传递,使活性得到了显著的增强。光的吸收和利用是制约光催化的另一个重要因素,通过对材料结构和形貌的调变,本论文还设计合成了具有三维有序大孔结构的TiO2光子晶体,并结合氢化过程以形成表面无定形结构,在单一半导体上同时实现了对光的有效捕获和对电荷的高效分离。TiO2光子晶体的慢光效应与氢化表面无定形结构耦合,极大的提升了光催化剂的活性至18.2 mmol g-1 h-1,分别是仅有慢光效应和仅有表面无定形结构催化剂活性的2.0倍和3.4倍。这种设计方法,在单一半导体上同时实现对光的捕获和电荷的有效分离,对于其它光转化利用体系具有重要的参考价值。