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基于半导体材料的光电催化分解水产氢技术可以将太阳能直接转化为高能量密度的化学能,该技术在环境污染治理和洁净能源生产领域具有潜在的应用前景。其中,开发高效且稳定的半导体光电催化材料、设计新颖的催化剂结构以及深入研究表界面催化反应机理是提升该技术量子转化效率并将其工业化应用的关键。鉴于此,本论文以金属氧/硫化物异质结设计为目标,主要开展了三个方面的研究工作:1)开发了基于连续离子层吸附反应法（SILAR）构建多层异质结的新方法;2)研究了低维范德华异质结及其界面特性与载流子传输的关系;3)探讨了异质结在拓展低能量光子吸收方面的新思路。本论文采用多种调控机制和理论模型,从能带结构、界面电荷相互作用、载流子在异质结界面的分离和传输、固/液界面的氧化动力学等角度对上述金属氧/硫化物异质结的相关机制进行了深入探讨。主要研究内容如下:1.通过一步SILAR方法在FTO上制备了疏松多孔的Bi2Mo O6@Bi2Mo2O9异质结光阳极,并通过调控前驱物阴阳离子浓度比,可控设计出两种钼酸铋晶体的异质结,精确调节两种钼酸铋在光阳极中的比例。光电化学测试结果表明Bi2Mo O6@Bi2Mo2O9光阳极在AM 1.5G光辐射下,1.23 V vs.RHE作用下的光电流密度相对于纯相Bi2Mo O6和Bi2Mo2O9分别提高了3.6和8.0倍。通过第一性原理计算,证明了Bi2Mo O6@Bi2Mo2O9为Type II型异质结,有利于光生电荷的分离和传输。实验结果表明,该异质结在1.23 V vs.RHE下的光生电荷分离效率和氧化动力效率分别为20.5%和54.6%,与单一的半导体相比有较大的提高。此外,Bi2Mo O6@Bi2Mo2O9异质结在中性溶液中展现出优异的化学稳定性,具有一定的商业应用潜力。2.基于Bi2Mo2O9和Bi2S3,通过SILAR循环方法,首次设计了pn/Z-Scheme/pn四层异质结光阳极（Bi2S3/Bi2Mo2O9/Bi2S3/Bi2Mo2O9）。通过构建第三层Bi2Mo2O9薄膜,该四层异质结在模拟太阳光照射下,在1.23 V vs.RHE下的光电流密度为3.1m A cm-2,大于双层异质结Bi2S3/Bi2Mo2O9的光电流密度(1.7 m A cm-2)。光电催化动力学研究表明,在1.23 V vs.RHE下的四层异质结的电荷分离效率和氧化动力效率分别为41%和81%。机理分析表明,多层异质结中的双层Bi2S3薄膜增强了整体光电极对太阳光的吸收;第三层超薄Bi2Mo2O9在第一和第三界面处通过界面电荷相互作用形成双pn结,促进了空穴向表面的传输;在第二界面处的Z-Scheme结构实现了界面载流子的快速复合,从而加快双层Bi2S3之间光生电荷的分离。3.基于1D Bi2S3和2D In2S3构建了低维范德华异质结In2S3@Bi2S3,并对其界面特性及光电催化性能进行了深入研究。理论计算表明,2D In2S3和1D Bi2S3界面间通过范德华作用力相结合。实验和理论计算结果均表明Bi2S3的表面电势高于In2S3,证明该异质结界面间存在电势差,进而通过载流子重新分布在界面间产生内建电场,促进了光生空穴向In2S3的转移以及光生电子向Bi2S3的转移。In2S3@Bi2S3在AM 1.5G模拟太阳光和1.23 V vs.RHE的作用下,水氧化光电流为2.0 m A cm-2,相较于单一Bi2S3,提高了5.0倍。该工作揭示了低维半导体异质结界面间相互作用的物理机制,为研究低维异质结内建电场和光生载流子输运的关系提供了一定的参考价值。4.选取NaYF4:Yb,Er上转换荧光材料,分别结合Ti O2、Ta2O5、In2O3和Fe2O3半导体构筑了荧光-半导体杂化异质结。研究结果表明,基于Fe2O3的荧光-半导体异质结可提高70.1%的光电流密度。此外,980 nm激发的荧光光谱分析证明,Fe2O3/NaYF4:Yb,Er异质结的上转换荧光发射峰强度弱于纯相NaYF4:Yb,Er,揭示了NaYF4:Yb,Er和Fe2O3之间发生了荧光辐射和半导体光吸收的能量转移过程。NaYF4:Yb,Er的荧光上转换发射光谱和Fe2O3的紫外可见吸收光谱之间具有部分重叠,佐证了Fe2O3/NaYF4:Yb,Er中能量辐射-再吸收的机制。本研究为构建新型异质结并拓展低能光子吸收方面提供了新的思路。综上,本论文围绕金属氧/硫化物异质结成功构建了Type II、pn/Z-Scheme/pn异质结、范德瓦尔斯异质结、荧光-半导体杂化异质结等多种新颖光阳极,对其界表面物理性质与光电催化性能的构效关系进行了深入研究。开发了多层异质结的新型制备方法;揭示了低维异质结的界面作用对载流子传输的影响机制;建立了荧光-半导体异质结能量辐射-再吸收模型,显著提升了半导体异质结的光电催化性能。本论文对半导体异质结的设计及研究具有一定的参考价值,并可将其推广至其它新型光电微纳器件的设计与构筑。