太阳能是一种几乎无限的能源,能源危机推动了太阳能催化转化技术的发展,如何有效利用低强度太阳能是一个关键问题。在太阳能转换领域,转换效率太低,所需辐照太强,都脱离了实际应用。低强度太阳能的高效利用已成为亟待解决的问题。一种方法是开发具有有效太阳能利用效率、低能耗和经济成本以及高效催化活性的材料。而构建异质结构为此提供了一种思路。本文的研究目的是通过选择合理的化合物半导体材料。根据反应体系的不同,构建合适的异质结构,以改善单一化合物本征性能的不足,探索出针对太阳能各个波段能量都能合理利用的材料体系,以期许未来的能源生产会有光（电/热）催化反应的一片天地。本文主要研究了不同异质结构材料体系在不同光（电/热）催化反应中的应用,开展了以下五个部分的工作:1.通过多步吸附与模板法制备了晶体Cu₂O/非晶Ta₂O₅纳米异质结,利用晶体/非晶接触解决异质结界面失配、接触势垒的问题。采用实验和理论计算结合,得到晶态Ta₂O₅与Cu₂O接触界面存在较大的界面势垒,形成空穴捕获中心,使得光生电子空穴在界面处反应。与非晶Ta₂O₅的接触降低了界面势垒,使得光催化全分解水反应得以进行。为未来的异质结光分解水研究开辟了新的道路。2.钽氮（氧）化物与TiO₂具有良好的能带排列,但是其合成需要高温氮化（>800°C）,本文通过模板法、离子吸附与浸渍法集合,低温制备出了TiO₂/TaO_xN_y纳米异质结构。并提出光催化析氢性能是由于TiO₂更好的结晶状态与非晶TaO_x N_y良好的载流子传输特性。本实验的制备方法可以拓展到其他纳米异质结构的合成。是一种制备金属氧化物和氮氧化物半导体异质结构的普适方法。3.Fe₂TiO₅是一种很有前途的光催化剂。但是Fe₂TiO₅是通过煅烧TiO₂/Fe₂O₃复合物实现,其中Fe₂O₃和TiO₂之间在高温发生固相反应导致其纳米结构并不能很好的维持,进而降低了其光催化活性。本工作通过离子吸附和模板法制备除了一系列不同比例的Fe₂TiO₅/TiO₂纳米异质结构,实现了粒径小、高表面积、优良的结晶性和单层分布和合适的能带匹配。为合成需要高温烧结的复合氧化物光催化纳米异质结构提供了一种方法。4.采用LaCl₃熔盐介导的直接氧化再氮化法在Ta箔上制备了高效的Ta₃N₅光阳极。在模拟太阳光照射下获得了Ta片直接氧化再氮化法制备的Ta₃N₅的最高光电流响应。通过理论计算,我们分析了La掺杂前后Ta₃N₅电子性质的变化,也模拟了LaTaON₂与Ta₃N₅异质结的界面电荷输运行为,得出La的引入会提高体系中电子的有效质量与载流子浓度,因此适合表面掺杂,这也为性能的提升提供了理论依据。这将会有可能应用于大面积、低成本的光电阳极生产制造。5.提出了一种基于Fe₃Si的光热转换系统,辅以Co₃O₄纳米棒催化剂,实现仅在弱太阳光辐射下有效的光热CO催化氧化。在光热实验中,我们测得基于Fe₃Si的光热转换系统可以在仅受0.3-0.35 kW m^-2（三分之一标准太阳光）和室外阳光照射就能够激发Co₃O₄纳米棒的活性以实现完全CO氧化,为相似光热催化体系的最优值。结果表明太阳光照射可以驱动在Fe₃Si/Co₃O₄光热系统的光热CO催化氧化,本研究的结果有利于工业催化应用,并能推广到更多的反应当中。