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如何判断光催化材料中的电子，空穴分离和迁移能力，如何判断半导体材料内在的光催化性能？这是半导体光催化研究领域一个重要的基础研究课题。针对该问题，研究者提出了局部结构畸变模型，认为局部结构畸变引起的偶极矩能够诱导电子一空穴有效分离，提高光催化性能。该模型可以适用于某些具有畸变结构的光催化材料，但其局限性明显。它不能解释某些局部畸变小乃至无畸变的材料之间的差异；对于诸如BaTiO3的钙钛矿材料，它的光催化性能极差，但结构内部的畸变程度却很大。本论文的一个重大进展在于提出了具有普适性的结构一性能模型：堆积因子低、空旷度高的光催化材料具有高的电子一空穴对分离和传输能力，往往拥有高的光催化性能。它可用于判断具有相似化学组成或晶体结构的材料之间的性能差异。实验和文献论据总计有47个材料体系的107化合物，涉及到氧化物、硫化物、氧氮化物和氧氯化物，覆盖到主要的d0阳离子(Ti4+、V5+、Nb5+、Ta5+、Cr6+、M06+、W6+)和主要的d10阳离子(Ag+、Zn2+、Cd2+、Ga3+、In3+、Sn4+、Sb5+、Bi3+)。
另外，半导体复合技术是提高材料性能的一种重要手段。然而，令人遗憾的是，目前的研究在设计材料时仅仅是基于能带匹配的简单考虑，与光催化性能密切相关的电子和空穴在半导体中的导电能力没有被考虑到。我们在诸多实验结果和文献调研的基础上提出了高效半导体复合光催化材料的设计模型，除了能带匹配的要求外，理想的复合半导体还需满足如下三个条件：(1)电子受体拥有优异的电子导电能力；(2)空穴受体拥有优异的空穴导电能力；(3)两相颗粒之间存在化学结合界面，作为载流子转移的空间通道。根据该模型，电子受体可选为n型半导体、原子堆积紧凑(共价性强)的空旷度低的材料或(和)导带顶电子轨道高度弥散的材料；空穴受体可选为p型半导体、结构空旷的材料、局部结构畸变的材料(如介电材料)或(和)价带项电子轨道高度弥散的材料；两相颗粒间化学结合界面的设计要求在于材料制备工艺的选择和优化。
根据空旷度模型，具有(局部)空旷结构的层状材料往往具有较好的光催化性能。据此，我们研究了一系列氧氯化物作为新型高效光催化材料的可行性，如Bi3O4Cl、Na0.5Bi1.5O2Cl、MBiO2Cl(M=Ca、Sr、Ba、 Cd、Pb)和Bi4NbO8Cl等。这是继所报道的氧化物、硫化物、氧硫化物、氮化物、氧氮化物、氢氧化物、碳化物和硅化物等光催化材料外另一个重要体系，也是本论文的另一大特色所在。它们的紫外光响应光催化性能高于锐钛矿TiO2或与之可比拟，其中，PbBiO2Cl(2.45ev)、Bi4NbO8Cl(2.38eV)、Bi3O4Cl(2.79eV)和Na0.5Bi1.5O2Cl(3.04eV)具有可见光响应能力。我们认为Bi基氧化物层和Cl层之间的强静电场能够促进光催化过程中光生电子一空穴的分离，这是这类结构空旷的材料具有高光催化性能的主要原因。
在新型氧化物光催化材料的开发中，基于可见光响应和空旷结构两点考虑，研究了含Bi的BiSbO4、Bi3SbO7和掺杂的γ-Bi2O3(Bi24Ga2O39、Bi25GaO39、Bo60In2O93和Bi35InO54)等半导体材料，它们均拥有可见光响应能力，其紫外光催化性能可与TiO2相比拟。在含有阳离子和氧离子空位本征结构缺陷的γ-Bi2O3中，发现了Ga3+、In3+、Ge4+和Cr6+等离子掺杂对性能影响的规律：随着掺杂量上升，材料空旷度下降，其光催化性能也随之降低。