能源危机和环境污染是制约21世纪人类社会经济可持续发展的两大潜在挑战，开发清洁新能源技术应对挑战已成为当今世界的广泛共识,其中通过半导体光电催化技术开发利用地球上丰富的太阳能被认为是解决能源危机和环境污染问题的有效途径之一。近几十年来，科技界在光催化领域持续投入巨大研究资源，半导体材料光电催化应用等相关研究已成为当今世界研究焦点和热点，同时该领域也逐渐发展成了一门涉及化学、物理、材料、环境等相关学科的前沿交叉学科。为了探索开发具有应用价值的光电催化技术，目前光催化领域的研究主要集中在光催化机理探究，新型光催化剂开发和光催化技术与其他能源技术交叉结合应用探究等几个方向。本论文结合当前光电催化领域研究新动向，以开发合适催化材料吸收利用太阳能为出发点，系统研究了几种纳米结构半导体材料的光电催化性能，探究其在光电化学领域潜在的应用价值。我们主要选取TiO2、WO3以及BiVO4等半导体材料作为研究对象，结合材料各自特点分别采用电化学沉积、溶剂热法和液滴法等制备手段构建相关材料纳米结构，通过调控制备实验参数优化材料的组分、形貌以及结构，系统研究材料的光电催化性能。本论文的主要研究内容大致分为两大部分：一、结合直接甲醇燃料电池阳极催化剂电催化氧化甲醇和半导体光催化剂光电氧化有机物各自特性，选取TiO2纳米管阵列(TiO2NTs)作为Ni、Pt以及PtNi合金等电催化剂载体材料，系统地探究了Ni/TiO2NTs、Pt/TiO2NTs和PtNi/TiO2NTs等复合催化材料对甲醇电催化氧化和光电催化氧化特性，根据研究结果提出了光辅助直接甲醇燃料电池的设计构想；二、以模拟太阳能光电分解水制氢为研究背景，采用溶剂热法和液滴法在FTO玻璃基底上分别制备了WO3纳米棱柱阵列薄膜和BiVO4纳米片阵列薄膜作为光阳极材料，根据能带匹配理论和离子掺杂原理进一步构建了比本征材料光电催化活性更高的Bi2S3/WO3异质结薄膜和W、Mo掺杂BiVO4纳米片阵列薄膜，通过的系统表征和测试探索论证了两种改性途径的原理及实际效果。论文主要研究内容及结论如下：①电化学阳极氧化法制备的TiO2纳米管具有规整的阵列结构，比表面积大，能为纳米尺寸的催化剂沉积生长和甲醇氧化反应发生提供丰富的活性位点，较适合用作为直接甲醇燃料电池阳极催化剂载体材料。经过C掺杂处理后，TiO2纳米管阵列(C-TiO2NTs)的结构形貌特征基本不变，但是导电性更好，且与金属催化剂之间的相互作用更强，更适合作为催化剂载体材料。通过脉冲电沉积法可以把尺寸适中的Ni纳米颗粒、Pt纳米颗粒以及PtNi合金纳米颗粒均匀地负载在TiO2NTs或C-TiO2NTs上构建起Ni/TiO2NTs、Pt/TiO2NTs、PtNi/TiO2NTs、PtNi/C-TiO2NTs等复合催化材料用于甲醇光电催化氧化研究。②Ni/TiO2NTs复合催化材料中的Ni纳米颗粒在碱性溶液中一定电势下转变为NiOOH后对甲醇具有催化氧化作用。相比于Ni/TiO2NTs在无光照条件下对甲醇氧化的催化性能，光照条件下Ni/TiO2NTs显示出增强的催化活性和稳定性，这主要归因于复合材料中Ni基物质的电催化特性和TiO2的光催化特性双重作用，以及光照时Ni在一定电势下转变为Ni(OH)2后与TiO2之间形成的p-n异质结具有促进材料对甲醇及其中间产物氧化速率的作用。③Pt与Ni形成PtNi合金后可以在甲醇氧化过程产生更多的含氧活性物质OHads,因此相比于Pt/TiO2NTs，PtNi/TiO2NTs对甲醇氧化具有更强的催化活性和稳定性。同时，相较于材料在无光照条件下对甲醇氧化的催化性能，两种复合催化材料在光照条件下都展示出更高的催化活性和稳定性。此外，研究发现无论光照与否，PtNi合金粒子负载在C-TiO2NTs上比负载在TiO2NTs上都具有更好的甲醇氧化催化活性和稳定性，主要原因可能是C掺杂进入TiO2NTs后提高了其导电性，同时也进一步增强了金属催化剂与载体之间的正向相互作用。④结合Ni/TiO2NTs、Pt/TiO2NTs、PtNi/TiO2NTs、PtNi/C-TiO2NTs等复合催化剂在有光照和没有光照时对甲醇氧化的催化特性差异，提出了一个新的电池概念设想─光辅助直接甲醇燃料电池，通过该电池有望把甲醇内储的化学能和太阳能一并转化为电能，提高电池能量转化效率。⑤溶剂热法制备WO3时，通过调整水和乙醇的体积比可以制得不同纳米结构形貌的WO3薄膜。当水和乙醇体积比为3:3时，在FTO玻璃基底上可以合成垂直于基底生长的WO3纳米棱柱阵列，阵列层厚度大约为2μm。光电化学测试发现相比实验所得其他纳米结构的WO3(如纳米片，纳米花等)薄膜，纳米棱柱阵列薄膜光电催化性能最好，适合与刺状Bi2S3纳米球复合构建Bi2S3/WO3异质结薄膜。由于WO3和Bi2S3的能带结构位置相互匹配，有利材料的光生载流子转移和分离，因此相比于单层的WO3和Bi2S3薄膜，Bi2S3/WO3异质结薄膜具有更好的光电化学性能。此外，不同厚度的Bi2S3层与WO3层复合对Bi2S3/WO3异质结薄膜的光电化学性能有影响。在实验定义的Bi2S3层条件下，三层Bi2S3复合在WO3层上形成的异质结薄膜光电化学性能最佳，三层Bi2S3厚度大约为3μm。⑥液滴热法制备BiVO4薄膜时，调整前驱液中的形貌调控剂聚乙二醇600(PEG-600)含量以及蒸发溶剂乙二醇时间，可以制得不同结构形貌的BiVO4薄膜。在本实验所配母液浓度条件下，Bi:V:PEG-600以体积比为2:2:1配成的前驱液在135°C条件下蒸发乙二醇55min后可以在FTO玻璃基底上制得BiVO4纳米片阵列薄膜。相比于实验所得的BiVO4纳米颗粒薄膜和不规则BiVO4纳米片薄膜，BiVO4纳米片阵列薄膜光电催化性能最好。此外，通过在前驱液中添加一定量的含W和Mo溶液，采用与制备BiVO4纳米片阵列薄膜相同的实验条件可以制得W和Mo掺杂BiVO4纳米片阵列薄膜。光电化学测试表明，W和Mo掺杂可以提高BiVO4纳米片阵列的光电催化性能,其中2%W,6%Mo共掺杂提升性能效果最好。研究结果表明W和Mo掺杂BiVO4并没有改变BiVO4的光吸收性质，但是掺杂会使BiVO4的平带电位发生移动。2%W,6%Mo共掺杂提高BiVO4的光电化学性能可能的原因是水在掺杂薄膜/电解液界面的氧化动力学速度比未掺杂薄膜更快。本论文的研究工作可以为今后光催化材料的设计、制备、表征以及性能研究等提供一定的方法手段参考，为新型能源器件的设计和构筑提供一定的设计理念和理论基础。