随着能源危机和环境污染的日益突显，基于太阳能光催化的能源和环境化工受到越来越多的关注。光催化剂表界面是影响光催化过程效率的关键因素之一，因此表界面性质及其调控研究将为新型光催化剂的设计和制备提供重要的理论基础。本文对具有良好应用前景的金属氧化物光催化剂TiO2和Cu2O的表界面调控进行了系统研究，包括掺杂改性、晶面调控、表面电子结构调变和量子点修饰等，评价其对有机污染物降解和降冰片二烯异构等模型光催化反应的影响，旨在阐述微观表界面结构和物化性质的可控过程及其对光催化的影响规律。针对TiO2电荷分离效率低等问题，通过金属掺杂改性来调变能带结构和晶格化学环境以提高光利用效率。采用水解沉淀法合成了过渡金属掺杂的TiO2。V和Fe离子能掺杂进骨架并以Ti-O-M的结构存在；Ce离子以间隙形式存在于骨架中；而Cr和Cu离子主要以氧化物形式分散于表面。所以，V和Fe离子掺杂的TiO2在光催化降冰片二烯（NBD）异构反应中表现出较高的反应活性。随后制备了不同掺杂浓度的V-, Fe-TiO2：较高浓度掺杂时，Fe3+仍能较好地掺杂并均匀分散于骨架中，且掺杂浓度越高，颗粒粒径越小，其中Ti/Fe=10时活性最好；V掺杂浓度较高时表面会富集V2O5，Ti/V=15时活性最好。分析发现，光催化异构反应与晶格氧有关：晶格氧首先捕获光生空穴，随后转移至吸附的NBD上形成中间体，最后通过价键异构生成四环庚烷。金属掺杂有利于光生电荷的转移和分离，从而提高光催化反应活性。进一步采用水解沉淀法合成了高度分散在MCM-41表面的V-TiO2量子点，通过调控载体和掺杂等可有效调变TiO2颗粒粒径和能带结构。量子点上出现的Ti3+缺陷和掺杂的V4+能提高光生电荷的分离效率，在光催化NBD异构和罗丹明B（RhB）降解反应中表现出较高的活性。从TiO2的晶面结构出发，研究了锐钛矿晶面演变过程及表面形貌在光催化反应中的协同作用。通过对F辅助水热合成过程的精细调控，制备了表面暴露{001}、{101}、{010}和{110}晶面的TiO2，揭示不同晶面的演变过程及二级组装结构的生长机理，发现焙烧脱氟和化学刻蚀能在表面形成级孔结构、显著增加TiO2比表面积。通过紫外及可见光催化降解反应评价，总结了影响光催化性能的重要因素：反应物吸附模式、比表面积孔结构和晶面协同作用。基于上述二级结构演变机理，通过延长水热时间在TiO2{001}纳米片上原位生长出TiO2量子点，通过纯水水热或焙烧后处理来修复因刻蚀产生的缺陷位。TiO2量子点的导带和价带均下移且其禁带宽度有所增加，与纳米片形成匹配良好的同质结能带结构，显著促进电荷分离。其光催化活性分别是干净纳米片和P-25的3.4倍和2.7倍。染料光敏化是实现可见光利用的有效方式之一，为强化染料与TiO2之间的电子传递，研究了染料分子在TiO2表面吸附模式的调变过程，发现并阐述了水媒介显著增强可见光染料敏化TiO2效应：吸附在TiO2桥羟基上的水分子会与周围水环境发生极化作用，形成Obr···OH3+离子对，染料分子的吸附从常规的共价键吸附转变为静电吸附模式，显著增强激发态电子从染料生色团注入TiO2导带的效率，吸附水后染料敏化P-25的效率提高了6倍。因此储存时间和环境对TiO2表面物化性质影响很大。进一步研究发现，TiO2在储存过程中水分子会缓慢键合于样品表面，使染料吸附模式部分转变为静电吸附，提高反应活性；非金属掺杂则能扩展样品的可见光吸收，与水媒介染料敏化协同，从而有效地促进可见光下的光催化反应。Cu2O是一种备受关注的可见光催化剂，但其合成过程及形貌依赖的光催化活性仍待深入研究。基于Cu2+和Cu的氧化还原反应建立了一条绿色合成Cu2O膜的方法，并且通过改变铜盐的阴离子基团（Cl–, NO3–和SO42–）可调控膜的表面形貌（棒状团簇ACF、八面体BCF和切角八面体CCF），其中ACF为[111]生长方向，BCF主要暴露{111}晶面，CCF主要暴露{111}和{100}晶面。其首次光催化活性顺序如下：ACF> CCF> BCF；稳定性：ACF≈BCF> CCF。反应过程中表面结构发生了变化：ACF表面形成大量纳米片，BCF表面生成多孔CuO并与Cu2O形成异质结，这两种形貌变化提高了其稳定性；而CCF表面生成致密CuO，不利于光入射和反应物扩散，最后降低了其稳定性。本文对TiO2和Cu2O光催化剂的能带、晶面、形貌和表面结构等进行了研究，阐述了其与电荷传递和光催化反应效率的关系，建立了相应材料制备和改性方法，通过有效调控表界面结构来提高光催化活性。工作为突破光催化瓶颈、实现高效光催化并早日应用于能源和环境化工提供了理论和技术借鉴。