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人工模拟光合作用,利用太阳能光解水制氢,是实现将太阳能转化成清洁的化学能,解决当今社会能源危机和环境污染的一个理想方法。水氧化反应是人工光合作用体系中电子和质子的来源,是制约太阳能转化的关键。因此,开发高效、稳定的水氧化催化剂对于太阳能转换至关重要。在众多水氧化催化剂中,分子钌催化剂因其效果出众,受到人们广泛关注。本论文设计并合成了一系列轴向吡啶配体中含有不同对位取代基团的单核钌水氧化催化剂[Ru(bda)(4-R-py)2](M1-M4; H2bda=2,2’-联吡啶-6,6’-二羧酸；py=吡啶)。催化结果表明,吸电子基团能明显提高这类Ru催化剂催化水氧化反应活性。以硝酸铈铵为氧化剂,对M1-M4的催化活性进行了测试,发现化合物M1由于其轴向配体4,4’-联毗啶在酸性条件下能够发生质子化,从而增强了吸电子效应,因此表现出最高的催化活性,催化循环数达到4000。以[Ru(bpy)3]Cl2为光敏剂,Na2S2O8为电子牺牲剂,在三组分体系中考察M1-M4的光催化活性发现化合物M2因其轴向配体具有最强的吸电子能力而表现出最高的光催化活性,反应2h的催化循环数达到270。由于单核水氧化催化剂[Ru(bda)(pic)2](pic=对甲基吡啶)在催化过程中通过双分子耦合机制产氧。本论文以Ru(bda)(pic)2]为单体,设计并合成了一系列含有柔性桥联配体的双核Ru化合物D1-D3。以硝酸铈铵为氧化剂,D1-D3在低浓度下表现出了卓越的催化水氧化性能,催化循环数高达43000,催化速率高达40s-1,活性远超单核催化剂。动力学研究证明这类双核Ru化合物将分子间O-O键的形成转化为快捷的分子内O-O键的形成,从而大幅提高催化产氧性能。此外,本文还将双核钌催化剂引入芘官能团,通过π-π堆积作用与多壁碳纳米管(MWCNTs)相结合制备了用于电催化水氧化的高效复合电极。以[Ru(bda)(pic)2]为催化活性中心,将光敏剂作为轴向配体与催化剂通过共价键联结,合成了三核Ru功能超分子器件A1和A2。在中性条件下以Na2S2O8为电子牺牲剂,化合物A1能够实现光驱动催化分解水。其活性是相同条件下三组分光催化体系的5倍。以上研究从[Ru(bda)(pic)2]配合物的微观反应机制入手,通过分子设计等手段,提高了其光催化性能并开发了新一代高活性水氧化催化剂,对于发展具有应用前景的光解水制氢体系具有重要价值。