我们主要通过燃烧不可再生的化石燃料来获取能源,然而化石燃料燃烧的同时释放出大量的二氧化碳,这将引发一系列潜在的环境问题。近年来,利用半导体光催化剂,通过水分解产氢、二氧化碳还原等反应将太阳能转化为清洁能源成为研究热点。其中,纳米阵列半导体材料具有高比表面积,可实现对入射光的多次反射,促进光生载流子的迁移,提供更多活性位点,提升电子传输及光学吸收等优势,被广泛应用于光催化、电催化等催化反应中。无机半导体作为光催化剂,在应用过程中需要解决两方面问题:一是提升半导体对全谱光的利用。例如TiO₂性能稳定,但带隙较宽,只能在紫外光条件下工作,不能高效利用可见光。二是抑制半导体中载流子复合,提升其活性。例如半导体Fe2O₃,可以有效利用可见光,但是其电子-空穴易复合,活性不高。本文中,我们通过利用模板法、水热法及电化学合成方法,制备无机纳米阵列结构,通过掺杂、与贵金属纳米颗粒形成复合结构等方式来调节纳米阵列的吸光范围,并与共催化剂形成复合结构,提升复合材料在光催化过程中的活性。所取得主要成果如下:1.以Au/BiVO₄纳米碗阵列结构复合材料为研究体系。我们利用PS球胶体晶体模板,制备BiVO₄纳米碗结构阵列样品;通过调节PS球的粒径,可获得不同周期的BiVO₄纳米碗结构阵列。利用电子束蒸发方法,获得Au/BiVO₄纳米碗结构阵列样品。研究了不同周期的BiVO₄纳米碗结构阵列和Au/BiVO₄纳米碗结构阵列样品在可见光照射下的光电性能。利用周期为100 nm的Au/BiVO₄纳米碗阵列结构光催化剂在可见光照射条件下,光催化水分解产生O₂的产生速率为13.6μmolh^-1cm-2,相比于单一周期为100nm的BiVO₄纳米碗阵列样品,氧气产生速率约有4倍的提升。2.以Au纳米颗粒结合N掺杂TiO碗阵列结构为研究体系。结合不同气氛退火工艺,研究N元素掺杂量对TiO₂纳米碗阵列结构吸光的影响;同时结合电子束蒸发工艺,将N掺杂TiO₂纳米碗阵列与Au纳米颗粒相结合。研究了在紫外光、可见光和全谱光下,复合纳米阵列的光电行为及作为催化剂实现水分解的产物产生速率。研究发现NH3氛围退火获得的Au纳米颗粒修饰的N-TiO₂纳米碗结构阵列在波长小于550 nm光照情况下,氢气产生速率可达0.726 mmol·g^-1 h^-1。该催化剂性能提升源于肖特基结与能量共振转移过程的二者协同。3.以Ag-Cu纳米颗粒结合N掺杂TiO₂纳米棒（片）阵列结构为研究体系。该体系是为了进一步降低催化剂成本,利用水热法分别制备金红石型TiO₂纳米棒阵列和锐钛矿型TiO₂纳米片阵列,通过NH3氛围退火实现两种阵列样品的N掺杂。分别通过光沉积方法和电子束蒸发方法,进一步将Ag-Cu与N掺杂TiO₂阵列结构结合。Ag纳米颗粒可实现等离激元共振,而Cu纳米颗粒可为CO₂选择性转换提供位点。研究了两种阵列样品在不同光源照射条件下的光电行为,发现Ag-Cu/N-TiO₂样品在CO₂光催化还原反应过程中的活性提升来源于等离激元共振和肖特基结的二者协同作用。在全谱光条件下,电子束蒸发方法制备的Ag-Cu/N掺杂TiO₂纳米片阵列样品可实现123.7 μmol g^-1 h^-1的催化CO₂还原为CH4产生速率。4.以周期性Au网阵列/Fe2O₃薄膜/CoAl层状双氢氧化物（LDH）三层结构为研究体系。以单层密排聚苯乙烯（PS）球胶体晶体为模板,利用模板辅助电沉积方法,制备周期性有序Au网格阵列结构;通过电沉积法在Au网阵列上沉积Fe薄膜,并通过退火氧化获得Au网格/Fe2O₃双层结构;再利用水热法获得周期性Au网阵列/Fe2O₃薄膜/CoAl LDH三层结构。通过改变Au网格结构周期可实现对不同频段的光透射增强,研究该复合样品在可见光照射下光电性能。对比Fe2O₃薄膜、Au网阵列/Fe2O₃薄膜和Au网阵列/Fe2O₃薄膜/CoAl LDH三层样品的光电行为,发现三层结构样品展现出优异的光电性能。该复合材料在光电催化反应中性能的提升来源于肖特基结、等离激元共振和共催化剂的三者协同作用。