人工光合成是一种先进的技术，可以利用太阳能作为唯一驱动能源，将水和氧气转化成双氧水(H₂O₂)。然而，目前常用的光催化体系的性能受制于其光吸收能力有限，载流子分离效率低以及表面反应能力弱等问题。在本文研究中，采用原位水热法，成功地在少层Ti₃C₂片表面生长厚度为5–10 nm的立方相In₄SnS₈ nm片(E_g = 2.16 eV)，形成了一种具有三明治结构的Ti₃C₂/In₄SnS₈纳米复合材料。Ti₃C₂和In₄SnS₈之间较大的界面面积及紧密的界面接触有助于载流子在体系中的迁移。X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)，和X射线光电子能谱(XPS)证实了Ti₃C₂/In₄SnS₈纳米复合材料的成功构建。能带结构包括价带顶端和Mott-Schottky曲线表明此2D/2D异质结形成了肖特基异质结，有助于载流子的快速分离，并从In₄SnS₈转移至Ti₃C₂表面，避免了电子从Ti₃C₂回流至In₄SnS₈。荧光光谱分析和光/电测试结果证明了Ti₃C₂和In₄SnS₈的复合有效抑制了载流子的复合。其中，7 wt% Ti₃C₂/In₄SnS₈复合材料表现出最佳的可见光催化性能，H₂O₂生成速率为1.998 µmol∙L⁻¹∙min^‒1，比单独In₄SnS₈高2.2倍。此外，Ti₃C₂/In₄SnS₈表现出多功能应用，对Cr(Ⅵ)的还原速率为19.8 × 10⁻³ min^‒1，比单一In₄SnS₈性能高约4倍。Ti₃C₂/In₄SnS₈复合材料在经过五次循环实验测试后表现优异的稳定性，其形貌、晶体结构和组成在反应后未发生改变。通过深层次的分析包括捕获实验、气氛实验和电子顺磁共振，证明了H₂O₂生成的途径包括两种：一种是两步单电子还原路径，另一种是一步两电子水氧化路径。本研究为设计高效、多功能的催化体系提供了一种新的思路。

人工半导体光催化CO₂转化被广泛认为是模拟自然碳循环的最有前途的策略之一。其中，Bi₂MoO₆具有光催化CO₂转化的潜力。然而，由于其光生电荷载体的快速复合，其催化性能仍然不足。因此，改善Bi₂MoO₆的催化效率是一个紧迫的问题。在这项研究中，我们通过水热法合成了Bi₂MoO₆纳米片，并在其表面同时生长了CeO₂纳米颗粒，形成了Ce³⁺/Ce⁴⁺离子桥接修饰的S型异质结。时间分辨光致发光光谱和光电化学测试揭示了这种异质结的增强电荷分离效应。此外，原位X射线光电子能谱分析和理论计算进一步证实，光生电子转移路径遵循S型机制，从氧化型半导体Bi₂MoO₆的导带转移到还原型半导体CeO₂的价带。实验结果表明，CeO₂/Bi₂MoO₆、Bi₂MoO₆和CeO₂的光催化CO₂还原为CO的效率分别为65.3、14.8和1.2 μmol∙g⁻¹∙h⁻¹。与纯Bi₂MoO₆相比，CeO₂/Bi₂MoO₆复合催化剂将CO₂光催化还原为CO的催化效率提高了3.12倍。这项工作为设计和构建新型S型异质结光催化剂提供了独特的见解。

定向电荷转移是调控光生载流子分离动力学的一种极具吸引力的策略。本文通过在SnNb₂O₆纳米片上原位生长C₃N₅纳米棒，设计一种具有强内建电场(IEF)和偶极场(DF)的新型2D/1D SnNb₂O₆/富氮C₃N₅ S型异质结。通过构筑S型异质结，在界面处产生IEF，促进电荷从SnNb₂O₆向C₃N₅的定向迁移。与此同时，C₃N₅中的DF提供一种驱动力，将光生电子定向转移至活性位点。通过IEF和DF的协同效应，SnNb₂O₆/C₃N₅异质结实现了快速的定向电子转移，从而显著提高了电荷分离效率。研究结果表明，SnNb₂O₆/C₃N₅异质结的最佳产氢速率高达1090.0 μmol∙g⁻¹·h⁻¹ (反应过程中持续释放H₂气泡)，分别是SnNb₂O₆和C₃N₅的38.8和10.7倍。此外，SnNb₂O₆/C₃N₅异质结在去除罗丹明B、四环素和Cr(Ⅵ)方面也表现出优异的光催化性能。通过电子顺磁共振(EPR)、时间分辨光致发光光谱(TPRL)和密度泛函理论(DFT)计算，本文系统探讨了SnNb₂O₆/C₃N₅异质结的定向电荷转移机制。这项研究为开发高效异质结光催化剂提供了一种可行的方法。

采用有机法和水热法合成了Cu-石墨炔和CoNiWO₄并构建了Cu-石墨炔/CoNiWO₄ S型异质结。在保留催化剂强氧化还原能力的同时，通过内建电场和能带弯曲的协同作用促进了光生载流子的高效分离和转移。Cu-石墨炔的引入有效提高了复合催化剂的光吸收能力和导电性，抑制了光生载流子的复合。同时，Cu-石墨炔独特的二维平面网络结构提供了丰富的活性位点，从而促进了光催化反应的进行。密度泛函理论(DFT)计算表明，Cu的表面等离子体共振效应产生的热电子会转移到石墨炔上从而促进氢气的析出。本研究为Cu -石墨炔和镍钴基催化剂在光催化析氢中的潜在应用提供了新的见解。

过渡金属羟基氧化物已被证明是水氧化反应的可靠助催化剂。然而，在水氧化过程中它们对H₂O及其中间产物的吸附能力不足，极大制约了水氧化速率的提高。在本研究中，H₂O及其中间体在MnOOH助剂的缺电子Mn^(3+δ)+上的自发增强吸附可以极大地促进水的快速氧化，从而在纯水体系中实现高效的光催化H₂O₂生成。首先，无定型MnOOH通过定向光诱导氧化方法选择性地沉积在AuPd改性的单晶BiVO₄光催化剂的(110)面上，从而制备了AuPd/BiVO₄/MnOOH光催化剂。光催化实验表明，所制备的AuPd/BiVO₄/MnOOH (0.5%)光催化剂的H₂O₂产生速率达到214 μmol∙L⁻¹，并表现出良好的稳定性和重现性。密度泛函理论计算和X射线光电子能谱表征表明，MnOOH的自由电子可以有效地转移到BiVO₄上，诱导缺电子Mn位(Mn^(3+δ)+)的产生，从而自发地促进H₂O及其中间体的吸附，增强四电子WOR反应，导致H₂O₂的高效生成。本文关于助催化剂与主体催化剂之间强相互作用的工作为其它高效催化材料的合理设计提供了一种新的思路。

共价有机框架(COFs)是一种具有π–π共轭结构和分子结构可调的晶体多孔有机材料，在光催化领域具有广阔的应用前景。然而，未改性的COFs材料具有反应动力学缓慢的缺点，因此需要引入助催化剂以降低其表面催化反应的势垒，从而加速反应过程。此工作中，采用双金属合金作为助催化剂，以提高COFs的光催化析氢性能。通过调控AuCu合金的比例，发现Au₁Cu₅/COF-TpPa具有最高的光催化产氢速率(8.24 mmol∙g⁻¹∙h⁻¹)，甚至高于Pt修饰的COF-TpPa的产氢速率(6.51 mmol∙g⁻¹∙h⁻¹)。经过系统性的表征测试和理论计算分析，Au₁Cu₅/COF-TpPa表现出高的载流子分离效率和低的H*生成能垒，从而具有高的光催化性能。本研究为利用双金属合金改性COF基光催化剂奠定了理论基础。

内建电场被认为是促进电荷迁移和分离，以提高光催化性能的有效驱动因素。本工作通过一步溶剂热法合成了间隙氯和取代氯共掺杂的一维纳米棒Mn_0.2Cd_0.8S (MCS)。间隙氯和取代氯的掺杂导致MCS纳米棒中的电荷分布不平衡，形成内建电场，有利于提高光生载流子动力学。通过密度泛函理论计算，本研究通过对电子结构、电荷分布和H₂吸附/解吸平衡差异的研究，直观地描述了间隙氯和取代氯的掺杂对MCS活性的影响。有趣的是，MCS能带结构的调控主要源于间隙氯的贡献，而取代氯无贡献。同时，取代氯可以进一步促进间隙氯对MCS的H₂吸附-脱附吉布斯自由能的优化。最终，0.9 Cl-MCS的H₂吸附-脱附吉布斯自由能更有利于H₂的产生(1.14 vs. 0.17 eV)，光催化产H₂活性提高了9倍。本研究为在双金属硫化物光催化剂中构建内建电场提供了有价值的途径。

通过光催化水裂解制氢来生产可再生燃料具有巨大的潜力。然而，缓慢的析氢动力学和较差的水吸附对光催化剂构成了重大挑战。在这项研究中，我们开发了一种简单的水热法，用于从金属有机框架(MOF)中合成Bi₂O₃ (BO)，并将其负载到花状ZnIn₂S₄ (ZIS)上。该方法显著增强了水吸附和表面催化反应，从而显著提高了光催化活性。以三乙醇胺(TEOA)作为牺牲剂，在BO上负载15% (质量分数) ZIS时，析氢速率达到了1610 μmol∙h⁻¹∙g⁻¹，是纯BO的6.34倍。此外，利用密度泛函理论(DFT)和从头算分子动力学(AIMD)计算，我们确定了ZIS/BO S型异质结界面上的反应，包括水吸附和催化反应的活性位点。这项工作将为开发具有特定电子性能和润湿性的高性能复合光催化材料提供有价值的见解。

开发新型纳米材料实现光催化产氢耦合有机物转化、提高太阳能到化学能的转换效率，在解决能源和环境危机方面具有巨大潜力。三元金属硫化物具有可调控的带隙和优异的可见光响应，在光催化分解水产氢方面引起了广泛关注。其中，Zn_0.5Cd_0.5S是一种带隙较窄、导带位置较高、耐光腐蚀的还原型光催化剂；然而，单一Zn_0.5Cd_0.5S中光生电子和空穴的复合率较高，只有少部分光生载流子参与光催化反应，导致量子效率较低而无法达到实际需求。WO₃是一种典型的氧化型光催化剂，具有较低的价带位置和较强的氧化能力，是与Zn_0.5Cd_0.5S耦合构建S型异质结的理想半导体。基于此，本文通过静电纺丝和水热方法将Zn_0.5Cd_0.5S纳米片垂直生长在WO₃纳米纤维上，制备了具有核壳结构的WO₃/Zn_0.5Cd_0.5S异质结。功函数的差异驱动Zn_0.5Cd_0.5S的电子转移到WO₃上，在界面处形成内建电场并使能带弯曲。通过原位光照X射线光电子能谱、电子顺磁共振和时间分辨荧光光谱分析，发现在内建电场、弯曲能带和库仑吸引力的作用下，WO₃导带上的光生电子迁移到Zn_0.5Cd_0.5S价带上并与其光生空穴复合，表明WO₃和Zn_0.5Cd_0.5S之间形成了S型异质结，实现了具有强氧化还原能力的载流子的高效分离。得益于独特的S型光催化机制以及反应物在催化剂表面的有效吸附与活化，在没有贵金属助催化剂的情况下，WO₃/Zn_0.5Cd_0.5S异质结在产氢(715 μmol∙g⁻¹∙h⁻¹)和乳酸转化为丙酮酸方面表现出增强的光催化活性，实现了光生电子和空穴的高效利用。原位漫反射傅里叶变换红外光谱和密度泛函理论计算揭示了光催化产氢和有机物转化的反应机理。本工作为设计和研究新型S型异质结光催化剂、实现高效产氢耦合有机物转化提供了新的见解。