提出了可同时处理脱硫废水和还原二氧化碳的光电化学电池系统，构建了流动式光电化学电池，减少了CO₂还原的输入能量，在铋基催化体系下，阴极电位为-1.5V时CO₂的还原产物以甲酸盐为主。针对光阳极能质传输受限问题，进行了优化设计改进，提出了在钛网上原位生长的TiO₂纳米管阵列的可渗透式光阳极和微柱阵列光阳极结构；其中钛网上生长放射状TiO₂纳米管阵列光阳极的比表面积显著增大，同时其多孔结构有效促进反应物的物质传输和光的散射，从而具有更优的光电催化和降解性能；以TiO₂微柱阵列为基底的介孔TiO₂光阳极具有的高比表面积增加了光阳极的活性位点，提高了光阳极性能。针对一维二氧化钛纳米管光阳极内物质传输特性不清晰，建立了耦合光电化学反应的物质传输模型，获得了纳米管结构尺寸对光阳极内物质传输和性能的影响规律。除此之外，提出了可全光谱利用太阳能的光热协同催化处理废水和产氢系统，以及采用局域表面等离激元效应增强了光热催化降解沼液废水产氢的性能，采用原位EPR实验得到催化剂在光热协同催化降解过程会产生具有强氧化性的超氧自由基和羟基自由基，大大提高了有机物的降解和产氢效率。