随着人类生产生活需求的日益增大,全球范围内的能量消耗日益增长。因此,解决环境和能源问题迫在眉睫,这就促使着科研工作者积极开发新型清洁能源、保护环境和治理环境污染。在过去的十年中,业界已经合成了许多类型的光催化剂,并应用于光催化水分解、CO2还原和有机反应等,在清洁能源、废水处理、空气净化等方面起到了广泛的作用。半导体光催化技术可以通过光催化反应将俘获的光能转化为储存型的化学能,既能部分地解决能源危机问题,又可以缓解由CO2不断累积而造成的全球温室效应。随着光催化剂和光催化反应体系的发展,相关研究越来越需要深入了解光催化的原理和过程,以合成出催化活性更高的催化剂。近年来复合催化材料的研究发展很快,为合成具有高活性、高选择性和稳定性的催化剂提供了新的可能。复合催化剂被广泛应用于光催化、电催化等领域以解决能源和环境问题。金属-半导体复合材料具有特殊的结构优势,与单纯的半导体材料相比,在光催化性能方面起到了很大的提升作用。与此同时,在金属-半导体复合催化剂的发展过程中,晶面的选择对于催化性能的提高开始受到重视。然而合成技术和催化机理研究的不足往往制约着催化剂的设计发展。金属半导体复合结构的设计具有两大挑战：一是如何选择合适的半导体晶面与特定金属结合；二是需要考虑到半导体中光生电子-空穴的空间分布情况。在本论文中,我们通过调节复合催化剂中半导体的晶面,形成肖特基势垒来提高催化剂中光生电子空穴的分离效率：通过分析光生电子空穴的空间分布,使与肖特基势垒达到协同作用来提高光生电荷的传输和分离能力,以改善复合光催化剂的活性。所取得的主要研究成果如下：1.金属纳米颗粒在催化方面具有广泛的应用。由于金属纳米结构的物理及化学性质会随其形貌的调控发生变化,因此金属纳米结构的形貌控制是纳米科技研究中的重要课题。某些特殊形貌的纳米粒子拥有引人关注的高指数晶面。由于这种结构的表面有较多的低配位原子,所以相比于低指数晶面的纳米结构具有更多的反应活性位点,从而显示出比较高的化学活性,在催化领域有更好的应用前景。五重孪晶结构是面心立方金属的纳米晶结构中的重要部分。我们利用五重孪晶的取向生长特性,进一步通过调控晶体生长动力学,实现了五重挛晶在法向生长上的各向异性,从而获得了具有高指数晶面的瓜子状金属钯纳米结构。该类独特的纳米结构展示出比低指数晶面纳米结构更为优异的电置换活性。2.光生空穴在半导体中较低的迁移速度是制约光催化效率提高的重要因素之一。利用p型半导体-金属的肖特基势垒可以加快空穴的迁移速度,从而可以很有效地提高水在光照条件下直接分解产氢的光催化效率。在该工作中,我们阐明了功函数是半导体表面和金属之间能否形成俘获空穴的肖特基结的重要选择原则。在选择半导体晶面时,需要考虑内部电荷的空间分布,即光生电荷在半导体某些晶面上的富集,也依赖于晶面的功函数。基于该系列认识,我们得以协同肖特基势垒和电荷空间分布效应,通过表面优化设计出Cu2O-Pd金属-半导体复合材料,展现出显著提高的可见光解水产氢性能。3.利用六方相氧化锌极化面对光生电子的选择性聚集效应,通过调节氧化锌纳米棒的不同长径比,实现对电子-空穴分离的优化。同时将产氢助催化剂Au和产氧助催化剂MnOx分别沉积在电子和空穴聚集的晶面上,不仅进一步实现电子空穴的分离,而且降低了氧化锌光催化产氢和产氧的过电势。基于此设计,我们实现了金属-半导体复合材料的空间效应和晶面效应协同作用,提高了其催化性能。4.利用金纳米颗粒的等离激元效应,实现在可见光区的光吸收,与TiO2的紫外光吸收形成互补。进而通过结构调控,利用等离激元产生的大量热电子以及纳米粒子周围的电磁场增强,并集成TiO2-Pd肖特基结,实现了等离激元效应和肖特基势垒的协同作用,从而提高了广谱光催化性能。