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基于半导体的光催化技术是解决目前全球凸显的环境问题和能源危机的潜在策略之一，但其广泛应用受到一些根本因素的制约。从本质上来看，传统氧化钛光催化剂仅能利用太阳光中极少的紫外光部分;其次，光依赖的催化过程在暗处无法持续有效地进行;最后，实际水体金属离子的存在将淬灭光生电子，直接导致光催化的中毒失效。本课题选取最典型的二氧化钛光催化剂为研究对象，分别针对当前光催化领域面临的太阳光谱利用率低、全天候效能差和金属毒副严重三大主要挑战展开，从新型光催化体系的设计和构筑角度展示了系列有效的普适解决策略。主要包括以下研究内容: 在第二章中，针对传统宽禁带半导体光催剂太阳光谱利用率有待提高，基于Pd负载TiO2在光催化产氢过程中意外变色现象的启发，开发了一种特殊的氢化策略。通过少量Pd的掺杂，在室温常压的H2或H2/O2气流中数分钟，即可简单快速地实现TiO2的氢化。通过对材料结构和光催化性能系统的研究表明，H2可在Pd表面自发解离，产生高反应活性的原子态氢[H]，其将进一步扩散进入TiO2晶格，产生长效的点缺陷(Ti3+和氧空位)。中间能级的引入使TiO2能隙显著变窄，由此增加其可见光的吸收利用。更为有趣的是，在氧气的辅助作用下，Pd催化的氢化过程中引入了自加热效应，从而导致结晶内核/无序壳层的特殊结构的产生，显著抑制光生电子空穴对的复合，也有助于还原态TiO2的长期稳定。值得一提的是，所提出的基于Pd催化的氢化策略可以推广到其它过渡金属氧化物的还原，展现了一种温和条件下实现氧化物氢化的普适技术。该研究为先进光催化体系中氧化物本征缺陷的创造和性能提升，提供了一种新的方法学借鉴。 第三章聚焦于新型全天候催化剂的设计和构筑，为改变传统光催化不可避免的实时光依赖性提供一种可行的解决方案。通过精确调节钛和钼对应前驱体的水解和缩聚速度,在TiO2光收集基体中引入了具有电荷贮存性质的{Mo(Ⅵ)Ox}结构单元，由此成功构建了用于光能存储的人工原子级异质结。对结构和催化性能系统研究后证实，得益于{MoOx}结构的光敏化效应，TiO2本征能隙得到了有效地降低，表现出明显增强的可见光吸收。此外，与传统纳米尺度的异质结结构相比，在电荷存储和光收集组分之间构建的原子尺度异质结，可以显著抑制光生电子/空穴在富缺陷界面的复合或淬灭，实现高效的光储能过程。进一步通过电化学和暗催化的研究表明，材料存储的电子可以在光源关闭条件下自发释放，表现出暗处依然延续的催化活性，最终实现良好的光储能催化性质。该研究所展现的原子级异质结策略，可为实现全天候催化的光储能催化体系的设计和构建提供新的思路。 在第四章里，考虑到在实际的废水光催化产氢过程中，必将面临废水里含有的重金属离子对光催化产生的严重毒害作用，由此，提出了一种新颖的“变废为宝”策略，实现有害重金属污染物的再利用，同时协同提高废水光催化产氢性能。通过制备光催化剂负载的透明块体多糖水凝胶，而凝胶本身不会影响光催化活性，该精心设计的体系可以有效吸附重金属离子，以此降低其对光催化过程的影响。随后引入原位硫化处理，将收集的重金属离子转化为相应的硫化物窄禁带半导体，同时能和负载的光催化剂形成异质结结构。如预期所料，这种策略的实施能显著提高光产氢活性。基于对性能和机理的详细研究，展示了这种简单普适的方法可有效实现有害重金属污染物的回收，并进一步用于提升污水光产氢效率，为协同的清洁能源制备和污水净化提供了一种具有良好前景的实际解决方案。