能源和环境危机严重地制约着全球经济的高速发展和人们对美好生活的追求。将太阳能转化为化学燃料或高附加值的化学品是一种解决上述问题最有希望的方法。光电催化水的分解是利用太阳能转化绿色能源的重要途径之一,其过程主要包括光能的捕获,光生载流子的产生、分离和表面催化。不幸的是,光电极都会遭受严重的界面复合,导致该途径低的光能转换效率,严重地阻碍了在环境和能源领域的应用。近年来,半导体材料和电催化剂的集成是当前最有希望的一种策略。但是这种耦合体系仍旧存在严重的载流子复合,导致理论电流和实际电流之间有一定的差值。基于上述的科学问题,以半导体和电催化剂的耦合体系为模型,提出了一种新的界面电荷的调控策略,实现了光生电荷的高效分离和快的表面催化。此外,利用一些强有力的表征手段探究了过渡金属基材料在光电化学（PEC）过程中所扮演的角色。主要创新如下:1)使用钒酸铋作为模型,成功构筑了一种界面电荷的调控体系。在该体系中,卟啉分子充当了界面电荷转移体的角色,如排球比赛中的“二传手”,展现出快的空穴转移动力学,进而有效地抑制了光生载流子的复合,延长了载流子寿命。最终,这种简单的策略实现了高的PEC性能。2)通过对整个PEC过程的理解,发现水分子到氧气分子的转化,需要两个界面的共同参与,也就是半导体/电催化剂（界面I）和电催化剂/电解液（界面II）界面。基于此,在前面工作的基础上,以半导体/电催化剂为研究模型,提出了一种双界面的调控策略。通过引入局域表面等离子共振效应,促进了半导体/电催化剂界面的电荷转移和电催化剂/电解液界面的表面催化,实现了光电极PEC水氧化性能的提高。3)半导体和过渡金属基材料的耦合可以实现高的光电化学性能,然而性能提升的真正原因仍旧存在很大的争议,这主要缺少原位的表征手段去分析过渡金属基材料所扮演的真正角色。我们以半导体/过渡金属基材料为模型,结合光生载流子的原位检测平台和传统电化学技术证实Fe的氢氧化物可以充当界面电荷转移体的角色,Co Pi可以充当钝化体的角色,Ni的氢氧化物可以充当空穴储存体的角色,为理性设计多元集成光电极体系提供了新的思路和方法。