工业的高速发展产生了大量具有高污染性的废水,排入环境水体后对生态环境与人体健康造成严重影响。同时,高效的工业化进程无可避免地需要消耗大量的化石燃料,进一步加剧了能源危机与环境问题。创新与发展新的环境治理与能源生产技术迫在眉睫。光电化学技术（PEC）结合了光催化与电催化的独特优势,能以丰富的太阳能为驱动力同步进行氧化还原反应,既可去除环境中的污染物,还能实现绿色能源的生产。然而,传统光电化学技术受限于光电极的催化性能,导致污染物降解过程速率缓慢、选择性较差、矿化不彻底、能耗高且绿色能源生产效率低等问题。因此,设计高活性光电极,提高光电极表面的反应速率,加快电荷的传递,同时在反应系统中原位产生更多的活性物种,提高光电系统的氧化能力,是实现光电化学高效去除环境污染物,同时快速生产绿色能源的关键。本文聚焦于新型光电化学活性氯反应系统（PEC-Cl）的构建,采用缺陷工程与界面工程等改进策略设计并制备了可原位活化氯离子（Cl-）产生活性氯（RCS）的高性能光电极,探究了光电极的电子传递性质、对底物吸附行为以及氯离子活化过程,分析了PEC-Cl系统对难降解有机污染物（POPs）的矿化与氨氮选择性氧化的机理,阐明了PEC-Cl处理效率与处理能耗之间的构效关系;除此之外,利用微孔层改性碳纸阴极实现了高效的氧气还原（ORR）生产双氧水（H2O2）,相关研究成果可以为以铂片电极为主的光电催化制氢气（H2）反应系统提供新材料,进而推动PEC技术在环境治理与绿色能源生产领域的应用。具体研究如下:首先,针对工业含盐有机废水含盐量大、pH跨度范围广以及有机物难以去除的问题,采用缺陷工程的策略设计并制备了富含氧空位的二氧化钛纳米棒阵列光电阳极（Ov-Ti O2）,Ov-Ti O2可以高效地活化工业废水中Cl-,促进在宽p H范围内去除POPs,同时产生大量的H2。通过控制电化学还原时间调控了光电极中的氧空位浓度,实验和理论计算（DFT）表明氧空位提高了光电极的光电化学性质,增加了反应活性位点,并且降低了光电极对Cl-的吸附能与活化能,有利于活化Cl-产生大量的RCS;在以Ov-Ti O2构建的PEC-Cl系统中,RCS转化形成的游离氯（FCS）积累量高达到48.7 mg L-1,是TiO2的6.5倍。此外,PEC-Cl系统在宽p H范围内（2～12）均具有高效的POPs降解与H2生产性能;在p H=4时,20 ppm的4-CP 60 min内降解了99.9%,H2的生成速率高达198.2μmol h-1cm-2。其次,针对地表水中氨氮（NH3-N）降解效率差、氮气（N2）选择性低的难点,采用界面工程的策略设计并制备了钴-氮碳（Co-NC）界面修饰的二氧化钛纳米棒阵列光电阳极（Co-NC/Ti O2）,基于Co-NC/Ti O2构建的PEC-Cl系统加快了H2与RCS生产速率,并可以利用RCS选择性氧化NH3-N为N2,提高水体中总氮的去除效率。异质界面Co-NC的修饰,改善了光电极载流子分离效率、延长了电子寿命,暴露的Co位点可以作为反应活性中心加速了Cl-的活化;借助电子顺磁共振波谱验证了PEC-Cl系统中的活性氯物种主要为氯氧自由基（Cl O·）,这是氨氮选择性氧化的关键。在该系统中,NH3-N降解动力学常数为0.0322 min-1,是Ti O2的7.2倍,浓度为10 ppm的NH3-N在60 min内降解了99.6%,N2选择性高达96.8%,H2的生成速率为178.9μmol h-1cm-2。大多数的光电化学系统通常采用铂片电极作为阴极制备H2,虽然铂片电极析氢性能比较优异,但是铂材料十分昂贵,一般局限于还原质子析氢。因此,在上述研究的基础上,本研究构建一个光阳极驱动阴极合成H2O2的光电化学反应系统,采用一种商业化的微孔层改性碳纸作为阴极进行高效的ORR合成H2O2,分析了不同类型的商业化碳纸的表面性质,并探究了不同碳纸在光阳极（Ti O2、Ov-Ti O2、Co-NC/Ti O2）驱动下合成H2O2的效率以及偏压、酸碱度对H2O2合成的影响;明确了微孔层改性碳纸表面ORR合成H2O2的机制;在以Ov-Ti O2为光阳极的PEC系统中,H2O2的合成效率高达3.44 mmol L-1 h-1。