化石能源的大量使用造成了严重的能源危机和环境污染,是制约人类社会发展的重大问题。开发可再生清洁能源是解决此类问题的重要手段。在诸多新能源中,太阳能以其巨大的体量、广泛的分布引起了广泛关注。光催化反应是一种将太阳能转化为化学能的反应,它可以将太阳能大量贮存在化学物质的价键之中,不仅解决了太阳能利用中的储能问题,而且为化学工业的发展带来了新的机遇,前景十分光明。光催化的过程从根本上说是依靠载流子驱动的。当受到光能辐照时,光催化剂内部会激发产生电子和空穴两种载流子,它们在分离之后将迁移至催化剂表面,驱动反应底物发生光催化反应。在此过程中,两种载流子又常重新结合,发生载流子复合。光催化的整体效率常被认为是载流子生成、分离迁移、表面反应三步骤效率的乘积。本文通过对载流子在每步中行为的调控,研究了各步反应机理,并在此基础上对催化剂进行设计,可使其活性与选择性都得到很大提高。首先,针对载流子生成行为,我们合成了一种金纳米棒与二氧化钛空心复合结构进行调控。金纳米棒具有两个等离子体共振吸收峰,其纵向吸收峰强度很高,且可随长径比的调节发生位置变化,使我们可对催化剂的吸光范围进行极大拓展,增强用来生成载流子的能量,从而极大地促进光生载流子的生成效率,提高反应活性。此外,吸收峰的可调性为设计特定波长响应的光催化剂提供了基础。而后,我们又对载流子在分离与迁移过程中的行为进行了调控,开发出不同种类助剂空间分离的结构,可引导电子和空穴分别向不同方向整体移动,降低不同载流子相遇的几率,大大抑制了复合,提高了载流子的分离效率。进一步,我们又在这种结构中引入异质结的界面,在助剂空间分离效应与异质结的协同作用下,催化剂的表面和体相的载流子都可得到有效分离,进一步提高了活性。最后,我们调控了载流子在表面反应中的行为,通过表面性质的调变拓展了催化剂的应用范围。而后,针对于表面反应中起到重要作用的反应助剂,我们通过调节其粒径的大小,对能级结构进行了理性调节,并研究了这一特性与反应活性之间的相关性。在此基础上,我们开发了可有效提高表面反应活性和选择性的催化剂,实现了催化效率的整体提高。