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光催化是一种有效的环境污染控制技术,但常用的TiO2粉末光催化剂具有量子效率低、不能利用可见光、较难分离回收等缺点,成为限制其发展的瓶颈。半导体与半导体或金属形成的异质结的内建电场能够为光致电子-空穴分离提供驱动力,提高量子效率；将异质结光催化剂制备成光子晶体的结构,能够利用其慢光效应来实现光的富集。异质结的窗口效应可以叠加两种材料的光响应能力,将光吸收范围拓展到可见光光区；这些从物理和光学领域引入的原理有助于设计出高效光催化剂,克服目前光催化技术领域存在的问题。本论文围绕以上内容,主要开展了以下几个方面的工作：(1)结合电沉积和化学气相沉积法在Ti片上制备了有序的TiO2包覆Pt纳米管(TiO2/Pt-Ti)肖特基结阵列电极。电极为致密的同轴纳米管阵列结构,Pt纳米管平均外径为100 nm,TiO2层厚度为40 nm。X射线衍射(XRD)和手动半导体测试仪显示TiO2层为锐钛矿相,并且TiO2/Pt-Ti肖特基结阵列具有明显的整流性,说明TiO2与Pt形成了肖特基结。TiO2-Pt/Ti肖特基结电极的光电流在零偏压附近最高,是阳极氧化TiO2纳米管阵列的6倍。紫外光照下降解苯酚实验结果表明,在4h反应时间内,使用TiO2/Pt-Ti降解了87%的苯酚,该过程苯酚降解动力学常数是使用阳极氧化TiO2纳米管的2.3倍。(2)结合模板法电沉积和液相沉积法制备了TiO2/Pt反蛋白石光子晶体肖特基结电极。该电极呈现出三维有序的多孔结构,由内层的Pt骨架和外层的TiO2层构成。通过调制TiO2/Pt光子晶体的禁带红边缘,使其与TiO2的最大吸收波长处(360 nm)相匹配,TiO2/Pt光子晶体的短路光电流和光催化降解效率都得到提高。紫外光照下光催化降解苯酚实验结果表明,在4h反应时间内,使用优化的TiO2/Pt光子晶体降解了98%的苯酚,该过程的反应动力学常数比使用TiO2-nc提高了230%,而其他尺寸TiO2/Pt光子晶体平均比TiO2-nc提高了130%,这说明TiO2/Pt-320光催化效率的增强来源于两部分：一个是由于TiO2和Pt之间肖特基势垒的作用,这部分引起的增强约占130%,另一个是由于光子晶体的慢光效应,这部分引起的增强约占100%。(3)结合化学刻蚀法和磁控溅射法制备了SiC包覆Si纳米线(SiC/Si NW)异质结阵列电极。紫外-可见漫反射光谱(DRS),电流-电压(I-V)曲线显示,SiC/Si NW阵列电极叠加了SiC的紫外光吸收和Si纳米线的可见光吸收,并且SiC磁控溅射时间为2h的样品由于其最佳的光吸收能力而在相同偏压下具有最大的光电流。HF酸处理过后的SiC/Si比未处理的样品具有更好的光电响应。在0.5 M H2SO4电解液中,SiC/Si NW对波长大于400 nm的可见光光转化效率为2.82%。氙灯照射下,偏压为-2.0 V时苯酚的光电催化降解实验结果表明,SiC/Si光电催化效果是电解和光催化过程简单加合的1.55倍,是硅片上SiC膜(SiC/Si wafer)的6.3倍。以上结果表明,合理设计的异质结光催化剂不但能够提高光催化的量子效率,还能将可利用波长拓宽至可见光范围,将异质结制备成光子晶体结构,能够实现光的富集。本文为优化光催化剂提供了可行的手段,有助于促进异质结、光子晶体等理论在光催化污染控制领域的应用与发展。