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化石燃料的过度使用带来了两大问题：能源危机和环境污染。寻找新型清洁可再生能源是解决这两大问题的有效途径。光催化技术能够利用光催化材料吸收太阳光转化为光生电子-空穴对诱发水氧化-还原反应制备氢气。以氢能为能量载体,其能量释放后的产物为水,避免了传统化石能源所带来的环境问题,因此半导体光催化分解水产氢是太阳能转化与利用的新能源技术,具有潜在的应用前景。构建高效的光催化分解水反应体系是实现光催化技术走向实用化的基本前提条件。高效转化太阳能为氢能的核心问题是高效光催化材料的开发。SrTiO3是一种传统的光催化材料,具有良好的电子-空穴分离与输运特性。SrTiO3光催化材料的主要缺点是带隙较宽(3.2eV),只能利用占太阳光谱5%的紫外光,太阳能利用率较低。拓宽光响应范围以提高光催化产氢性能是开发面向应用的SrTiO3光催化材料所需解决的首要问题。SrTiO3具有Sr、Ti两个阳离子替代位和一个O阴离子替代位,具有较强的功能可调节性。本文围绕元素掺杂SrTiO3光催化材料展开研究工作,发展制备高品质的元素掺杂SrTiO3光催化材料的溶胶凝胶-水热法；探索元素掺杂对晶体缺陷形成的影响及元素掺杂的热力学基础；利用原子电子轨道强相互作用拓宽光催化材料的光学吸收范围。本文所得主要结论如下：溶胶-凝胶水热法是制备高性能Cr掺杂SrTiO3光催化材料的有效方法。含3d轨道电子的过渡族元素Cr(Cr3+)可以在SrTiO3带隙内形成杂质能级,有效拓展SrTiO3的光吸收至可见光区。Cr3+掺杂SrTiO3样品的合成,以往是利用高温固相烧结法,所得样品比表面积较小、晶体缺陷较多,因而光催化性能较低。发展高结晶性、大比表面积的光催化材料制备方法有利于实现高效的光催化反应。本文发展了溶胶凝胶-水热法制备具有大比表面积、高结晶性的Cr3+掺杂SrTiO3样品,其基本过程如下：以乙二醇为溶剂充分溶解钛酸四丁酯、锶盐和铬盐,在合适的温度下干燥成凝胶,以此凝胶为原料,在碱性条件下水热反应获得高结晶性、大比表面积的Cr3+掺杂SrTiO3样品。此方法结合了溶胶-凝胶法和水热法两种制备方法的优势：通过形成溶胶-凝胶实现前驱物原子级别的充分混合,有利于掺杂元素的均匀掺杂；碱性溶液可以使锶、钛和铬离子以氧化物的形式存在,从而降低金属元素前驱物之间反应活性差异,实现以水热反应控制元素掺杂获得单相高结晶性的Cr掺杂SrTiO3样品。高结晶性可以有效降低样品中的缺陷,降低电子-空穴复合几率；较大的比表面积可以提供更多的光催化反应位,提高光催化反应效率。因此,溶胶-凝胶水热法制备出的Cr3+掺杂SrTiO3光催化分解水产氢效率达到82.6μmol/ho阴、阳离子共掺杂有利于降低空位缺陷,提高SrTiO3光催化材料的催化性能。对于Cr3+掺杂SrTiO3样品,由于掺杂在A位的Cr3+与A位Sr2+价态不同,为了保持电荷平衡容易导致在SrTiO3晶格内产生Sr空位缺陷。缺陷作为复合中心增加了光生电子和空穴的复合几率,降低了光催化性能。本文利用元素共掺杂法平衡电荷以降低晶体缺陷,同时实现了光吸收范围的拓宽。以尿素为氮源,利用溶胶凝胶-水热法合成了Cr3+离子A位和N3-离子O位共掺杂SrTiO3。实验及理论结果显示,Cr3+掺杂可以有效降低N3-掺杂进入SrTiO3晶格的反应势垒,有利于N3-掺杂进入SrTiO3晶格。N3-替代O2-与Cr3十替代Sr2+可以保持SrTiO3电荷平衡减少Sr空位缺陷,有效降低电子-空穴对复合几率。N2p与Cr3d之间的p-d电子轨道排斥作用提高Cr3d能级位,从而提高价带顶的位置而减小带隙,拓宽了SrTiO3可见光吸收范围。由于缺陷数量的减小和可见光吸收范围的拓宽,Cr3+、N3-共掺杂SrTiO3光催化分解水产氢效率高于Cr3+掺杂SrTiO3,其可见光光催化分解水产氢性能达到106.7μmol/h,在420nm波长处表观量子转换效率达到3.1%。阴离子p轨道和阳离子d轨道之间的p-d电子轨道排斥作用可以提升杂质能级位,拓展半导体材料的光吸收范围。p-d电子轨道排斥作用与p、d轨道的轨道能量差有关,轨道能量差越小,排斥作用越强,杂质能级提升越大。与N2p轨道能量相比,B2p与Cr3d的轨道能量差更小,意味着B2p与Cr3d之间存在更强的p-d电子轨道排斥作用,Cr、B共掺杂有望进一步拓展SrTiO3的光吸收范围。本文利用TiB2为Ti源,通过一步水热法成功合成了Cr3+离子Ti位和B-离子O位共掺杂SrTiO3。紫外可见吸收光谱显示Cr3+、B-共掺杂显著拓宽了SrTiO3光吸收范围,Cr3+、B-共掺杂SrTi03的光吸收边红移至600nm,带隙减小为2.07eV。理论计算所得的光吸收谱及态密度图显示,Cr3d与B2p之间的p-d电子轨道强排斥作用提升了Cr3d的能级位,使SrTiO3的吸收边发生红移。光吸收范围的拓宽使得Cr3+、B-共掺杂SrTiO3光催化分解水产氢的效率(15.4μmol/h)比利用相同水热法制备的Cr3+掺杂SrTiO3(9.3μmol/h)提高了近66%。