能源危机和环境污染严重制约当前社会经济的发展。开发新的、无污染的可再生清洁能源成为关系人类生存和可持续发展的重大课题。将太阳能转化为氢能,发展高效、低成本的太阳能规模化制氢技术,是人们向往的目标。在众多氢能开发的手段和途径中,通过光催化剂,利用太阳能光催化分解水制氢是最为理想和最有前途的手段之一,被称为“21世纪梦的技术”。众所周知,同一组分,不同结构的材料往往表现出截然不同的催化特性。因此,材料分级结构与性能之间的耦合效应是当前该领域中新兴和备受关注的重要研究内容。目前的关键研究问题主要包括:（1）设计并开发简单通用的方法制备多层次、多维度、多组分耦合效应的新型分级多孔半导体光催化材料;（2）探索并研究精细分级结构与材料组分的耦合效应对光催化性能的影响规律。自然界生物体为适应环境所需而构筑的精细分级结构为新型分级多孔半导体光催化材料的设计提供广阔空间。如自然生物蝴蝶,在漫长的生存进化中,蝴蝶翅膀从宏观、微观到纳米尺度的分级多孔构造可显著提高光捕获率。凤蝶科蝴蝶黑色翅膀上的微细鳞片具有“准蜂窝”结构可以最大限度地吸收可见光,平均吸收率在96%以上。蛋壳膜为一种生活废料,从蛋壳外表面到内依次为表皮、CaCO₃壳及蛋膜。蛋膜具有三维交叉管道互通网络分级结构,这种网络结构起着类似光陷阱的作用,光进入此结构在其内表面反复反射吸收,从而具有较普通结构更低的反射率和更高的光吸收率。本论文抓住当前光解水领域研究的新动向,以该研究领域存在的问题为切入点,受自然界生物精细分级构造及光功能特性的启迪,合成并系统研究了蝶翅形态WO₃、BiVO₄@xC、WO₃/BiVO₄异质结及类蛋白纤维形态TiO₂/GR复合三维网状结构的制备工艺和结构、化学组分及其耦合效应对光催化性能的影响规律,主要研究结果如下:一、以具有高光吸收性能的蝴蝶翅膀为模板,通过表面化学处理,采用溶胶-凝胶法将具有紫外光催化活性的二元金属氧化物WO₃,复合到生物模板的分级孔结构中,控制煅烧温度,成功合成了蝶翅形态分级多孔WO₃。蝶翅形态WO₃光解水制氧效率比原始WO₃粉体材料提升2倍,具有明显优异的可见光捕获特性。同时,论证了该方法作为制备具有分级多孔人工蝶翅光催化剂的通用性,为分级多孔三元氧化物的制备提供基础和理论指导。二、受蝶翅分级构造及高光吸收特性的启发,以具有分级多孔结构的巴黎翠凤蝶翅膀为模板,提出了分级多孔原位三元氧化物BiVO₄的合成方法。在遗传蝶翅宏观、微观至纳米尺度分级构造的同时,控制烧结温度保留来源于天然高分子的碳基体,实现了典型三元氧化物BiVO₄碳元素的自掺杂,可高效地响应可见光。碳掺杂和分级构造耦合作用使人工蝴蝶具有优异的可见光捕获率,光解水制氧效率（160μmol/h）为普通BiVO₄粉体材料的6倍,为简易高效制备光电转化效率优异的催化剂提供了新的途径,同时该原位自掺杂技术为传统元素掺杂提供了新思路。三、基于蝶翅精细有序多孔结构及其独特的光学特性,以巴黎翠凤蝶为生物模板,利用二次溶胶-凝胶法,结合煅烧技术,可控化实现了蝶翅形貌分级多孔WO₃/BiVO₄异质结的合成。得到的光催化材料物相纯净,可见光捕获能力强。分级多孔WO₃/BiVO₄具有优异光解水制氧性能及可测量的光解水制氢性能。异质结可以改变单纯WO₃或BiVO₄的价带结构,使其高效传导光生电子和空穴,实现其产氢的可能性;而具有三维立体分级多孔结构可以提高光催化剂在可见光区的光敏性,进一步提高了电子-空穴对的分离效率和电荷迁移率。这对特殊结构的异质结光催化剂的深入研究具有重要意义。四、启迪于蛋膜无序三维网络分级结构,提出“半导体基石墨烯复合光催化分级多孔材料”的概念及合成方法。以类蛋膜形貌滤纸为模板,结合超声技术,将石墨烯（GR）引入到分级多孔TiO₂三维网络结构中,实现以半导体催化剂为基体的石墨烯复合光催化材料,探索并研究分级多孔TiO₂/GR复合光催化材料对光解水制氢效率的影响。此分级结构中,半导体与石墨烯的复合形式由传统“点-面接触”转变为“面-面接触”,最大限度地发挥石墨烯转移、传递光生电子的作用,从而大大降低了电子-空穴对的复合率,该研究提供了一种半导体/石墨烯复合光催化材料的设计新思路,为进一步设计优化具有三维网络分级构造及光功能特性的材料提供了参考模型。