现代社会的能源与环境问题,使人类迫切需要寻求一种新的绿色能源。作为一种环境友好且可持续的太阳能-化学能转换方式,以化学计量比进行光催化完全分解水（Overall water splitting,OWS）生产氢气已经引起了越来越多的关注。然而,由于OWS过程是一个多步骤（包括光子吸收,电子转移和在三相边界区域发生反应等）的反应过程,其效率为各分步效率的乘积,如不能同时提高多个步骤的效率,则反应最终效率仍将受限,因此目前粉末体系光催化全解水反应效率仍较低。本文提出了一种通过同时提高OWS反应中多个分步反应步骤效率,进而提高光催化全解水效率的材料设计策略。这种材料设计策略基于介孔复合体型光催化剂体系。本文中以重点研究的Bi0.5Y0.5VO4（BYV）光催化剂为例,通过在高度有序介孔氧化硅（SBA-15）孔道中实现限域生长,得到粒径、固溶性、结晶性可控的BYV纳米晶光催化剂,并控制介孔模板的孔道形貌,合成了具有高度有序介孔结构的复合体光催化剂。在该体系中,改变合成条件,结合各种物理化学手段（如XRD、TEM、BET、UV-vis DRS、XAS、XPS和电化学表征等）,对其进行详细的结构性质表征,测试其光解水催化性能,总结了材料的构效关系规律,探究了这种复合型结构对全解水过程中若干个重要反应步骤的促进作用。该策略可成功拓展应用于Ti O2-Si O2,C3N4-Si O2,Sr Ti O3-Si O2以及Bi VO4-C3N4-Si O2 Z型体系,这些介孔复合体均获得更好的光催化活性,因此上述策略具有很好的通用性,所使用的合成方法与研究结果也能为进一步设计高活性复合OWS光催化材料提供研究基础。虽然上述策略可以提高光催化剂的完全分解水活性,但是整个体系的OWS效率在很大程度上仍然受限于材料本身的能带结构限制,无法解决充分利用太阳光中的长波段光,特别是红外光谱部分能量,从而实现全光谱利用的挑战。因此本文通过对氮化碳体系全解水反应的研究,进一步发现了一种利用全光谱（含红外波段）光子促进全解水反应,实现以化学计量比完全分解水,同时提高分解水效率的有效方法,对如何突破材料能带结构造成的光吸收特性限制,利用长波段光,特别是红外光,提出了新的研究思路,对上述介孔复合体策略做出了有效的补充。主要研究内容有:1.选择钒酸铋钇Bi0.5Y0.5VO4（BYV）与介孔氧化硅（SBA-15）作为模型材料,设计合成了保留介孔氧化硅的复合体型光催化剂,其特征为在介孔氧化硅载体孔道内分散了高负载量的小颗粒BYV纳米晶体。实验证明,这种保留了二氧化硅绝缘体骨架的复合型光催化剂具有很高的完全分解水活性。与常规固相法制备的Bi0.5Y0.5VO4催化剂相比,在相同催化剂量的条件下,虽然其活性组分含量减少约40%,但其光催化全解水活性（氢气产气量为179.8μmol/h,氧气产气量为80.9μmol/h,氢氧化学计量比接近2:1）提高了9倍;2.通过改变一系列合成条件,包括煅烧温度,掺杂比例,柠檬酸比例,填充比例,载体种类等,研究了该体系对全解水反应活性促进作用的控制因素。研究结果显示,这种介孔复合结构的主要优势在于,光催化剂在介孔二氧化硅孔道中实现了受限生长,在800℃条件下仍然形成了高度分散且高度结晶的小粒径纯相四元固溶纳米晶光催化剂,从而克服了高温合成非受限生长将造成颗粒团聚与低温合成结晶性差的矛盾;同时介孔二氧化硅骨架的透明周期性多孔结构和上述结构特性结合,使整个复合体系表现出更强的光吸收性能、电化学性能以及更好的传质性质,最终大幅提升了完全分解水性能;3.通过类似的合成方法,合成了以不同的光催化剂为活性催化组分的介孔复合型催化剂,包括Ti O2-Si O2,C3N4-Si O2,Sr Ti O3-Si O2;并进一步构建了Bi VO4-C3N4-Si O2介孔复合型Z型反应体系,证明了这种介孔复合结构的普适性与可推广性;通过FDTD模拟,计算了这种介孔复合结构的光学响应性能,在实验结果基础上,进一步使用理论模拟证据证明了介孔复合体更强的光吸收性能;4.与前人提出的通过助催化剂调控,如共负载Pt和Pt O2作为产氢、产氧助催化剂或利用Pt的近场散射效应从而实现完全分解水不同,本文通过巧妙地选择光源反射片种类,改变了氙灯光源的光谱特性,实现了全光谱照射下铂负载的氮化碳的完全分解水。结合结构表征及电化学测试等,初步揭示了铂负载的氮化碳在不同光谱特性光源照射下的全解水反应规律及机理。研究显示,当辐照光中不含红外光时,其全解水性能较差,表现为产氢量较低且氢氧比偏离化学计量比（约为4:1）;而当辐照光中含红外光时,产氢量上升（90%）,且氢氧比更接近2:1。机理分析显示,其原因可能为红外光造成的局部热效应,促进了反应过程中副产物的分解,从而促进了全解水反应的进行,提高了产氢量并实现了完全水分解反应。