光能利用是光电催化净水技术的关键，其中光电极界面处光生电荷的分离和催化剂表面污染物的反应动力学是决定光能利用率的两个重要因素。针对光催化剂载流子分离效率低、界面电荷传递机理不明确、污染物传质速率不高、依赖外界电能输入等问题，本文通过调控半导体界面能带排布以及创新性地构建穿透式光电极等手段，实现光阳极界面处光生电荷的高效分离与污染物的快速反应，并构建出光催化燃料电池，实现污染物的高效降解与协同产能。同时，利用实验表征及理论计算深入解析界面电荷传递过程，为高效光催化剂与光电极的制备和应用提供依据。主要研究内容及结论如下：
    （1）选用碳纤维布作为三维多孔基底并控制ZnO 纳米线的定向生长，制备出高性能穿透式光阳极。利用ZnO 内部极化电场强化光生电荷的定向传递与分离，通过调控ZnO与导电基底界面的肖特基势垒提高电子传输速率，最终在0.5V vs. RHE（相对于可逆氢电极）电压下实现了0.6%的光电流效率，是常规侧流式ZnO 电极的6 倍。穿透式光阳极的微孔流道大幅增加了污染物在ZnO 表面的传质速率，将罗丹明B 的降解动力学常数提升了4 倍。
    （2）开展了光阳极缺陷调控方法研究。在W 片上制备了沿[200]方向生长的WO3 纳米片电极，采用紫外光激发耦合电场驱动的方式诱导其界面氧空位发生重构，并通过H+掺杂调控WO3 表面电子能态，制备出具有“三明治”界面结构的WO3 光阳极，实现了高达3.6 mA cm−2 的光电流和理论光电效率的90%。结合密度泛函理论（DFT）计算，对WO3 光催化机理进行深入考察，阐明了表面氧空位和氢基团对活性自由基生成的影响。
    （3）基于缺陷调控理论制备出穿透式WO3/TiO2 异质结光阳极。利用氧空位调控异质结界面电荷分离效率，并通过表面光电压成像和荧光成像对WO3/TiO2界面电荷传递过程进行直接观测。相比于侧流式WO3 电极，穿透式WO3/TiO2 异质结光阳极对多种有机污染物（双酚A、亚甲基蓝、罗丹明B）的降解速率均实现3–4 倍的提升。利用甘油氧化作为探针反应，深入研究穿透式光阳极表面有机物氧化规律，并构建出光催化燃料电池，实现了0.9 V 的开路电压和1.2 mAcm−2 的短路电流输出。
    （4）构建了穿透式TiO2光阳极。利用氧空位调控TiO2与导电基底界面的肖特基势垒，将界面光电荷传输速率提升近40倍。模拟肺泡结构制备高性能氧还原空气阴极，构建出穿透式光催化燃料电池，得到0.8 V的开路电压和406 μW cm−2的输出功率，实现了污染物高效降解与协同产能。相比于侧流式体系，穿透式TiO2光催化燃料电池对多种有机污染物（阿莫西林、双酚A、龙胆紫）的降解速率均实现了~3倍的提升。