由于全球人口的快速增长,工业化进程不断加快,能源短缺和环境污染已成为当前人类面临的两大挑战。可再生的清洁能源,如太阳能、地热、风能、水力发电和潮汐能,被认为是替代化石燃料的绝佳选择。其中,太阳能作为一种储量丰富、分布广泛且永久的清洁能源,可以满足当前和未来人类对能源的需求。近几十年来,半导体光催化技术在解决世界范围的能源短缺和减轻环境污染等方面展现出强有力的潜在优势,已成为最有前途的太阳能利用方案之一。迄今为止,已经有大量的研究致力于开发各种光催化材料、系统和设备,以及对相关界面化学、电子结构和反应动力学的探讨。然而,目前整体的光催化效率仍然偏低,归结起来最突出的问题就是太阳光吸收利用效率低和光生载流子的分离输运效率低。如何更深入的理解半导体光催化的反应机制,探索限制光催化活性的基本因素,开发具有可见光响应的高效光催化材料体系是突破瓶颈的关键。本论文针对当前半导体光催化系统对太阳光的吸收和对光生载流子的分离问题,提出构建同源的Z型异质结光催化剂。从特定的结构出发,实现了更高质量的异质结界面接触、拓宽了材料的光吸收范围并促进光生电荷的分离与传输而不牺牲其氧化还原能力。本文选择了两族同源的金属氧/硫化物,从光催化应用最广泛的两个能量转化领域,即光催化分解水和二氧化碳还原,分别提出相应的解决方案。具体的研究内容如下:（1）氧化铋/硫化铋异质结在光催化全分解水中的应用通过电沉积和高温热处理以及化学浴沉积法在Bi₂O_2.33纳米片的表面生长Bi₂S₃纳米针,成功制备了基于Bi₂O_2.33/Bi₂S₃的同源Z型异质结光催化剂。同源异质结避免了热处理后晶格失配和金属离子掺杂引入的缺陷态,大大降低光生载流子的复合,从而保证较高的电荷分离效率。最后通过包覆超薄均匀的非晶态TiO₂层（约3 nm）,防止了Bi₂S₃的光腐蚀现象吗,延长了使用寿命。结果表明,该复合光催化剂表现出非常高效的光催化全分解水活性,其中H₂的析出速率可达到0.98?μmol?h^-1,O₂析出速率约为0.5μmol?h^-1,在连续工作五个循环性能仅有轻微的下降。（2）锡掺杂氧化铟/硫化铟异质结在光催化二氧化碳还原中的应用通过CVD以及气相硫化的方法在ITO导电基底上生长了Sn-In₂O₃/In₂S₃同源Z型异质结构。得益于Sn-In₂O₃单晶纳米线高效的电荷传输能力和异质结拓宽了材料的光吸收范围并增强了载流子的分离和传输能力,该复合样品表现出了极为优异的光催化二氧化碳还原性能。实验结果表明,硫化时间为20分钟的复合材料在负载Pt助催化剂的情况下,CH₄的产率达到0.52μmol?h^-1,而CO的产率更是高达0.85μmol?h^-1。我们的研究结果表明,构建同源的直接Z型异质结复合光催化剂能获得如下优势。首先,具有较少缺陷态的高质量异质结可能具有更长的光生载流子寿命;此外,直接Z型异质结构能够提供有效的电荷分离和转移而不会牺牲载流子的氧化还原能力。本论文就半导体光催化研究中存在的核心问题,展开研究,提出了相应的解决方案,并从实验和理论上分析了其工作机制。本论文的研究极大地丰富了半导体光催化剂的材料和结构设计,将推动半导体光催化剂向实际应用的发展。