近年来,能源危机以及环境问题日益严峻,太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,引起了研究人员越来越多的关注。目前,光催化氧化技术被认为是解决环境污染问题最有应用前景的技术之一。因此,开发新型的具有高效可见光响应的光催化材料对太阳能转化方面的实际应用具有重要意义。自然界中的绿色植物可以通过光合作用实现从光能到化学能的转换,利用师法自然的仿生思想,通过模仿自然界中的能量转换过程以及特殊生物的结构和功能特性,可以得到多种性能优良的仿生光催化剂。本文基于半导体光催化剂的潜在应用背景,针对光催化剂研究中重要科学问题,利用仿生思想,制备了多种粉状和具有自支撑三维(3D)仿生结构的氧化锌(Zn O)基光催化剂,测试了其光催化降解有机污染物性能、电化学性质和光催化水裂解产氢性能。首先,从功能仿生角度出发,借助聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的辅助作用,在胶体溶液中原位合成形貌尺寸相对均匀的一维棒状结构金纳米粒子与Zn O的异质结(Au/Zn ONRs)光催化剂,Au纳米球颗粒(Au NSs)均匀负载在Zn O六棱柱的外表面。通过调控Au/Zn ONRs中的Au NSs的负载量来实现光催化效果的优化,Au NSs负载量居中的Au/Zn ONRs相对于其他负载量Au NSs修饰的Zn ONRs展现出较高的催化活性。并且探究了Au NSs直径对Au/Zn ONRs异质结光催化性能的影响。实验结果表明,被粒径居中的Au NSs修饰的Zn ONRs(Au-40/Zn ONRs)展现出最优的光催化性能。这表明Au NSs的直径在决定高效电荷转移和LSPR效应之间存在着一个平衡点,导致Au NSs的粒径大小在影响Au/Zn ONRs光催化效果方面具有双向作用。其次,通过在Au纳米棒(Au NR)胶体溶液原位生长Zn O的方法,制备了圆盘状Au NR与Zn O的异质结(Au NR/Zn ONDKs)。在该异质结中,Au NRs均匀修饰在Zn O圆盘的表面。我们通过调控Au NR的长径比来实现Au NR/Zn ONDKs在可见光区波段吸收的拓展,进而实现对光电转换性能的优化。长径比最小的Au NR修饰的Zn O圆盘展现出最优的光电转换性能。随后,运用结构仿生思想,以天然海绵为生物原型,赋予粉状催化剂自支撑的3D大孔框架结构。我们分别通过模板法,合成了具备3D大孔结构的Au/Zn O/石墨烯海绵(Au/Zn O/r GO)以及聚苯胺@石墨烯海绵(PANI@r GO)纳米复合材料,该材料相对于平面结构均表现出更为优异的电化学性能,表明其在实际便携式能量存储方面具有很大的潜力。另外通过原位生长法制备了一种具有良好3D网络结构并可自支撑的大孔贵金属/Zn O异质结海绵。结果表明,该Au/Zn O/聚氨酯海绵(Au/Zn O/CPS)不仅具有良好的光催化降解有机污染物性能,而且展现了较强的光催化水裂解产氢能力。此外,我们采用不同的辐照波长范围来分别探究紫外光和可见光对Au/Zn O/CPS光催化性能的影响。我们发现在既有紫外光又有可见光存在的情况下,即同时激发Zn ONRs和Au纳米粒子可以进一步提高光催化活性,这可能是由于两个来源的光生电子以及双向传导过程导致更多的自由基产生。最后,采取牺牲生物模板法,以新鲜菠菜叶片为模板,制备了Au/Zn O基仿生叶片。该仿生菠菜叶片状Au/Zn O(s-Au/Zn O),不仅保持了菠菜叶片的多级复杂结构,还表现出优越的光催化降解有机污染物的性能,并且具有较好的光电转换性质。此外,我们对光催化过程中可能产生的活性基团分别进行了测试,对实际光催化氧化过程中起主要作用的活性基团进行了验证,为光催化反应机理的探讨提供了直接证据。并且该s-Au/Zn O光催化剂相对于本文报道的其他仿生光催化剂都具有更强的性质,间接证明了天然叶片结构形貌的多级复合结构在光捕获能力方面的优势对提高光催化剂活性具有显著影响,说明其在太阳能转换方面具有良好应用前景。