加大对太阳能的开发和利用对实现包括二氧化碳在内的温室气体的有效减排意义重大。在已知的太阳能利用形式中,光催化可直接将太阳能转化为化学能进而实现有效储存(例如光催化分解水制氢),被认为是极具潜力的太阳能利用方式,其走向应用的关键是开发具有高能量转化效率的光催化材料。然而,当前面向能源用光催化材料普遍面临反应速率低的瓶颈,亟需突破。太阳光的吸收、光生电荷的分离以及光生电荷的表面转移是控制光催化效率的三个关键过程,其中光生载流子的分离在光催化反应中起到承上启下的作用,是控制光催化活性的中心环节。通过控制光催化材料中不同单体间的界面特性或单体中不同微区的特性,可促进光生电子、空穴对在不同单体间或单体的不同微区间分离,是提高光生载流子分离能力的重要努力方向。本论文构建了具有强界面接触的硼化钽／氧化钽核壳异质结构、Ti3+/Ti4+晶态／非晶态氧化钛核壳结构以及氟离子调控的高表面能晶面与低表面能晶面共存的氧化钛等三类光催化材料,有效提升了光生电荷的分离,提高了光催化活性,为基于调控光生电荷分离设计高性能光催化材料提供了依据。具有强界面接触的硼化钽/氧化钽核壳异质结构的构建。为了增强助催化剂与光催化剂之间的界面接触,本文提出了以可作助催化剂的金属硼化物作为前驱体,在其表面原位生长相应金属氧化物光催化剂的制备新策略,从而获得具有强界面接触的金属硼化物/金属氧化物异质结构光催化材料。具体为,以TaB2为模型研究体系,利用气相水热过程,在TaB2微米颗粒表面原位生长出放射状排列的Ta205纳米棒,即制备出TaB2/Ta2O5金属性/半导体性核壳异质结构。在该结构中,作为核的TaB2和作为壳的Ta2O5之间具有强的界面结合,由此带来两方面的变化：1)界面处的晶格畸变可引起Ta2O5光吸收边发生红移：2)界面处TaB2中的B原子对Ta2O5的掺杂带来了新的可见光吸收峰。由于TaB2具有可用作助催化剂的特性,且与Ta2O5形成了强界面接触,使得在无需贵金属助催化剂的情况下,TaB2/Ta2O5核壳结构表现出比Pt/Ta2O5更优异的光催化产氢性能,且展现出了后者不具备的可见光活性。钾+Ti4+晶态/非晶态氧化钛核壳结构的构建。由于金属氧化物半导体中光生电子的有效质量显著小于光生空穴,使得到达光催化材料表面的光生电子的数目要远多于空穴数目,而光催化反应的速控步骤往往是空穴诱导的氧化半反应。针对这一倒置关系,本文提出了通过调控单体金属氧化物光催化材料颗粒内部和表层之间的能级匹配关系,来逆转到达材料表面的光生电子、空穴数目的新思路。以亚微米颗粒尺寸的金红石TiO2为模型研究体系,通过在氢气气氛下热处理在整个颗粒中引入大量的Ti3+缺陷,后续在氢氟酸溶液中进一步水热处理,在表层形成厚约3纳米的不含Tp+的非晶层,从而构建出Ti3+/Ti4+晶态/非晶态的TiO2核壳结构。该核壳结构具有独特的能级匹配关系,富含Ti3+的晶态核的导带与价带位置均低于不含Ti3+的非晶态壳的导带与价带位置,使得内部光生电子经壳层迁移至表面过程中要克服一定的能垒,从而降低光生电子到达表面的几率,实现了到达材料表面光生电子、空穴的数目的改变。光催化产氢活性研究表明,该核壳结构将金红石Ti02的光催化产氢活性提高了两个数量级。氟修饰诱导的金红石Ti02{110}与{111}晶面间电荷分离。同一颗粒表面暴露的不同晶面往往存在一定的能级差异,可诱导光生电荷在不同晶面间分离。然而,仅仅依靠原始晶面间的能级差异,所提供的电荷分离驱动力往往不够。针对这一挑战,本文提出了基于不同暴露晶面间非饱和配位原子比例的差异,利用异质原子进一步扩大晶面间的能级差的新思路,来促进光生电荷在晶面间的分离。以表面由{110}和{111}晶面组成的金红石Ti02为研究对象,在一定浓度的氢氟酸溶液中水热处理此TiO2,获得了表面氟修饰的金红石TiO2,发现两晶面上的氟离子浓度显著不同。通过研究光还原反应和光氧化反应沉积产物在TiO2表面的空间分布,证实氟修饰后的TiO2中光生电子、空穴可在两晶面间有效分离,而未作修饰的TiO2中的光生电子、空穴在{110}和{111}晶面间无明显分离。能带精细结构表征证实氟离子修饰可增加两晶面间能级差。光生电子动力学表征进一步证实两晶面间光生电子的转移是通过导带下方与缺陷相关的浅束缚态能级进行的。光生电子空穴在两晶面间的有效分离大幅度提高了Ti02的光催化产氢和产氧性能。