水资源、能源和粮食危机以及电力短缺等各类危机的出现，加剧了开发替代性和可持续能源技术的迫切需求 [1]、[2]。持续依赖煤炭和石油既不可持续，也无法满足未来的能源需求 [3]。因此，近年来人们为在可持续发展的背景下推进可再生能源技术付出了大量努力 [4]。
阳光是唯一一种取之不尽的初级能源，能够满足全球日益增长的能源需求。地球每年接收的太阳能约为385万艾焦；然而，目前人类仅利用了其中约0.0144%，而即便仅利用1%也足以应对全球能源危机 [3]、[5]。尽管其低功率密度和间歇性要求高效的转化和储能策略，但太阳能仍然是丰富、清洁且对环境影响最小的能源，使以太阳能为驱动的技术在无有害排放的情况下生产可持续能源方面日益具有吸引力 [6]。
光催化作为一种绿色可持续技术，被视为利用太阳能并将其转化为高功率、高密度化学能和电能的有前景的途径 [7]。然而，光催化仍面临若干关键挑战，包括由于不利的载流子传递动力学导致的光生载流子快速复合和迁移能力有限，以及可见光捕获效率低、光催化剂在长期光照下的光腐蚀、颗粒团聚和回收问题等，这些限制其商业化应用 [8]。
尽管在实施各种策略以克服光催化障碍方面取得了重大进展，但由于载流子动力学源于电子结构、晶体学特征、缺陷化学、界面电场和外部操作条件之间的耦合作用，而非任何单一材料参数，光催化性能的进一步提升仍然面临挑战 [8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。因此，旨在优化某一特性的修改往往会同时引起其他理化性质的变化，从而对载流子的产生、分离、迁移、传递和复合产生协同或拮抗效应。
例如，缺陷工程可以引入浅陷阱态以延长载流子寿命并促进电荷分离，然而，过高的缺陷浓度或深能级缺陷反而可能成为高效的非辐射复合中心 [19]、[26]、[27]、[28]。类似地，异质结工程被广泛用来通过内建电场促进光生载流子的空间分离，但不利的能带对齐、界面电阻、费米能级（E_F）不匹配或过大的能带弯曲都可能限制界面载流子传输。几何和结构优化同样涉及本征的权衡关系 [10]、[11]、[29]。减小粒径可以增加比表面积、缩短载流子扩散距离，并可通过量子限域效应调节能带边缘位置，但同时也会增加加速复合的表面缺陷密度。同样，引入结构不对称性或分子极化可以增强促进定向电荷迁移的内电场（IEF），而高度平面分子结构所伴随的过度电子离域则可能增强非绝热耦合并加速e-/h+复合。
外部操作条件进一步使这种相互作用关系更加复杂。温度影响载流子迁移率、缺陷辅助复合、电子-声子耦合、扩散长度和表面反应动力学，而光照强度则调节载流子产生速率、表面电荷积累、能带弯曲和界面反应路径。它们的共同作用决定了光生载流子是参与有效的表面氧化还原反应还是通过复合而损失。因此，光催化性能无法通过独立地调节单个参数来实现可靠优化，而是需要本征SC特性与外部操作条件的协调调控。
为应对这些挑战，本综述通过整合本征SC特性、基于工程的策略以及外部操作参数（图1），建立了一个理解载流子动力学的统一跨尺度框架。通过将这些因素视为一个整合系统而非孤立的设计策略，该框架为高效耐用光催化剂的合理设计提供了全面的视角。
因此，本文旨在填补这一知识空白，通过系统分类调控载流子动力学的关键参数，并结合理论模拟与先进表征技术来讨论其机理作用。计算方法，包括密度泛函理论（DFT）、含时模拟和分子动力学计算，可从原子层面提供电子结构、缺陷态、界面电荷转移和载流子迁移路径的洞察；而实验技术如 photoluminescence（PL）和 time-resolved photoluminescence（TRPL）可评估载流子复合行为，photoelectrochemical impedance spectroscopy（PEIS）可评估电荷传递效率，Kelvin probe force microscopy（KPFM）结合 transient absorption spectroscopy（TAS）可实现对电荷分离和迁移过程的直接可视化。这种整合方法为原子尺度载流子过程与实验观测到的光催化行为之间的关系提供了更为全面的理解。
尽管本文讨论的原理广泛适用于太阳能燃料生成、CO2还原和有机合成，我们还额外评估了混合染料体系光降解的最新进展。混合染料降解代表了现实的废水处理场景，其中降解效率还受吸附竞争、溶液pH、分子结构和光敏化效应等理化因素的影响。据我们所知，混合染料光降解的系统评估尚未得到全面探讨，因此将其作为一项互补且时效性强的应用予以纳入。此外，PRIS腐蚀的定义、SC的光腐蚀机制以及不同表征技术在各种综述论文中均有所滞后，因此我们研究了SC的光腐蚀过程，并为制备抗腐蚀光催化剂提供了可能的解决方案。最后，本综述将以未来研究需求和关键展望的概述作为结尾。
