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半导体光催化分解水制氢是太阳能光化学利用的有效方式之一，但较低的制氢效率制约了其实用化进程。提高制氢效率的关键在于提高电荷分离效率和拓宽光谱响应范围。针对二氧化钛(TiO2)纳米晶光催化分解水制氢存在的光电转换效率低的问题，本研究探索了几种提高电荷分离效率、光吸收利用率的方法，重点研究了外加物理场对二氧化钛纳米管阳极氧化生长过程的影响、表界面调控对于促进TiO2纳米晶的电荷分离机制、表面等离子体增强在TiO2纳米晶光电催化分解水制氢体系的能量转移机制、新型结构设计对于TiO2纳米晶光阳极的促进作用。同时还探索了光解水与光伏电池的集成系统。主要涵盖的工作有: (1)探明低气压场对于阳极氧化生长二氧化钛纳米管的影响。系统地研究了TiO2纳米管阵列(TONT)在外加低气压场的生长。在低气压场和紫外光照射下纳米管阵列生长速度达300 nm/min，比常压下纳米管生长速度快了一倍。纳米管生长速度的增加主要归因于气体抽出促进化学平衡的正向移动、导电性的增加以及更好的离子扩散。 (2)表界面调控对提升二氧化钛纳米管光电催化性能的影响。通过构建肖特基势垒、表面钝化抑制表面电荷复合等方式提高了TiO2电极的电荷分离效率及光电催化(PEC)性能。石墨烯量子点(GQDs)的尺寸及表面性质可调，因而具备特殊的光学、电学特性。将GQDs负载在TONT电极表面，使360 nm处的量子效率提高了15％。GQDs的负载提供了电子空穴分离的有效途径，使得电荷分离效率提高，从而促进PEC性能的增强。另外，TONT材料表面存在大量悬挂键会成为电荷复合中心。因此对TONT采用原子层沉积(ALD)的方法沉积一层Al2O3壳层。TONT阵列在最优的沉积条件下光电流密度能提高0.8倍，在紫外光区的光电转换效率提高至70％。接着完整地构建了表面钝化提高光电催化作用机制，Al2O3壳层能通过饱和表面悬键有效地减少缺陷能级从而提高电极的PEC性能，同时场效应钝化使得在纳米管表面形成的电子耗尽层引发表面能带弯曲从而更进一步抑制电子被表面缺陷位点俘获。化学钝化和场效应钝化二者的耦合作用使得电子空穴实现了空间上的分离，从而显著地提高了载流子寿命，进而大幅提升了TONT的光电催化分解水制氢性能。 (3)表面等离子体共振(SPR)增强TiO2光电催化分解水制氢及其能量转移机制。合理设计并合成了一系列基于TONT和Au的电极材料，实验和模拟结果表明，在半导体与金属纳米颗粒之间有非导电层的体系中SPR能量转移由SPR诱导热电子注入机制占据主导地位，而不是常规认为的近场增强机制。在不同的电极结构体系中，TONT-Au-Al2O3电极在紫外光和可见光区均表现出了最优异的光电催化性能，在紫外区的入射单色光子-电子转化效率(IPCE)达到63.8％，可见光区达到3.1％。紫外光区效率的提高在于Au纳米颗粒作为电子俘获位点及Al2O3壳层的表面钝化作用促进了电荷的分离。可见光性能的提高主要源于如下三个方面:1）高介电常数的Al2O3壳层诱导金属纳米颗粒周围局域等离子体增强，进而强化SPR诱导热电子注入过程。2）金属纳米颗粒与半导体直接接触形成了电荷快速转移的通道。3）Al2O3表面钝化效应引起的能带弯曲可以促进电荷在TONT骨架快速传输而不至于与表面的空穴复合。 (4)三维周期性二氧化钛纳米棒阵列的结构优化设计及表界面调控。基于溶胶凝胶热固性纳米压印法制备三维周期性TiO2薄膜，该薄膜具有良好的机械性和保形性，可大规模制备且能重复应用于紫外压印、热压印等多种压印工艺。随后，将这种基于溶胶一凝胶的热固性纳米压印与水热法结合，制备了三维周期性分级结构TiO2纳米棒阵列。该结构提供大量光催化反应位点，有优异的光俘获能力及高效的电荷传输通道，因此极大地提高了光电催化分解水效率。主要原因在于此分级结构能提供大量光催化反应位点，有优异的光俘获能力及高效的电荷传输通道。除此之外，零维材料GQDs与其复合更进一步提高了光电催化性能。由于GQDs和TiO2能级位置匹配较好，促进了载流子的空间分离并延长载流子寿命，从而使得MP-TiO2NR-GQDs电极的光电流高达2.92 mA/cm2，IPCE值在370 nm处高达72％，相对于flat-TiO2NR，光电流密度和IPCE值分别提高了3倍和69％。 (5)三维周期性二氧化钛纳米棒阵列与硅基光伏电池的集成。将优化后的MP-TiO2NR及MP-TiO2NR-GQDs光阳极与双节太阳能电池(2-jn SC)进行集成研究，结果表明工作点基本不受光伏电池的限制，而主要受光阳极性能的限制。最优的MP-TiO2NR-GQDs光阳极与双节太阳能电池进行集成的光化学能转化效率达到了3.72％，远远高于单一的金红石二氧化钛的最高光电转换效率值(2.25％)。