提高光催化分解水制氢的效率是能量转换领域的关键挑战。本研究首先合成了二维多孔氮化碳(PCN)，然后在二维PCN上原位生长了一维W₁₈O₄₉ (WO)，形成了一种新型的梯形(S型)异质结。该异质结可以加快界面电荷的分离和转移，赋予WO/PCN体系更好的氧化还原能力。此外，具有多孔结构的PCN提供了更多的催化活性位点。与WO和PCN相比，20% WO/PCN复合材料具有更高的H₂产率(1700 μmol·g^-1·h^-1)，是PCN (30 μmol·g^-1·h^-1)的56倍。本研究提供了一种新S型光催化剂用于光催化制氢领域。

构建高效、稳定的异质结光催化剂体系是实现太阳能驱动分解水制氢的有效途径。本研究通过物理混合法将Mn_0.2Cd_0.8S纳米棒与CoAl LDH纳米片进行耦合，成功制备出一种新型的Mn_0.2Cd_0.8S@CoAl LDH (MCCA) S型异质结光催化剂。光致发光光谱和光电流测试结果表明，该异质结在内建电场的作用下可以有效地加快Mn_0.2Cd_0.8S和CoAl LDH界面间光生载流子的分离和电子转移。关键的是，CoAl LDH的引入有效地抑制了光生电子与空穴的复合，从而提高了Mn_0.2Cd_0.8S的光催化产氢活性。最佳CoAl LDH负载量的MCCA-3在5 h内的产氢量为1177.9 μmol。与单独使用纯Mn_0.2Cd_0.8S纳米棒和CoAl LDH纳米片相比，这是一个显著的改进。本研究为合理设计用于光催化制氢的S型异质结光催化剂提供了一条简单有效的途径。

随着化石燃料使用的增加和温室气体排放量持续上升，20世纪以来气温上升得更快。开发环境友好型能源取代传统化石燃料是当务之急。氢能源作为一种清洁、高效的能源，被认为是最有希望取代传统化石燃料的能源。光催化水分解水产氢作为为一种环保型技术被认为是最有前景的氢能生产方法。提高光生电子-空穴对分离效率是构建高效光催化剂的关键。然而，利用高度分散的助催化剂构建高效、稳定的产氢光催化剂仍然是一个挑战。本文首次成功地采用一步原位高温磷化法制备了高度分散的非贵金属三金属过度金属磷化Co_0.2Ni_1.6Fe_0.2P助催化剂(PCNS-CoNiFeP)掺杂P的石墨相氮化碳纳米片(PCNS)。有趣的是，PCNS-CoNiFeP与传统氢氧前驱体磷化法制备的CoNiFeP相比，没有聚集性，分散性高。X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、元素映射图像和高分辨率透射电镜(HRTEM)结果表明，PCNS-CoNiFeP已成功合成。紫外-可见吸收光谱结果表明，PCNS-CoNiFeP在200–800 nm波长范围内较PCNS略有增加。光致发光光谱、电化学阻抗谱(EIS)和光电流分析结果表明，CoNiFeP助催化剂能有效促进光生电子-空穴对的分离，加速载流子的迁移。线性扫描伏安法(LSV)结果还表明，负载CoNiFeP助催化剂可大大降低CNS的过电位。结果表明，以三乙醇胺溶液为牺牲剂的PCNS-CoNiFeP最大产氢速率为1200 μmol·h^-1·g^-1，是纯CNS-Pt (320 μmol·h^-1·g^-1)的4倍。在420 nm处的表观量子效率为1.4%。PCNS-CoNiFeP在光催化反应中也表现出良好的稳定性。透射电镜结果表明，6–8 nm的CoNiFeP高度分散在PCNS表面。高度分散的CoNiFeP比聚集的CoNiFeP具有更好的电荷分离能力和更高的电催化析氢活性。由此可见，聚合的CoNiFeP-PCNs (300 μmol·h^-1·g^-1)的产氢速率远低于PCNS-CoNiFeP。此外，CNS的P掺杂可以改善其电导率和电荷传输。

本文通过简单的一步水热法得到Ni₂P-NiS双助催化剂，之后采用溶剂蒸发法将Ni₂P-NiS与g-C₃N₄纳米片结合构建获得无贵金属的Ni₂P-NiS/g-C₃N₄异质结。研究结果表明，优化后的复合材料具有良好的光催化产氢活性，其产氢速率最高可到6892.7 μmol·g^-1·h^-1，分别为g-C₃N₄ (150 μmol·g^-1·h^-1)、15%NiS/g-C₃N₄ (914.5 μmol·g^-1·h^-1)和15%Ni₂P/g-C₃N₄ (1565.9 μmol·g^-1·h^-1)的46.1、7.5和4.4倍。这主要归因于Ni₂P-NiS相比Ni₂P和NiS单体具有更好的载流子转移能力，其与g-C₃N₄形成的肖特基势垒能有效促进光生载流子在二者界面上的分离，同时Ni₂P-NiS能进一步降低析氢过电势，进而显著增强了表面析氢反应动力学。本研究为开发稳定、高效的非贵金属产氢助剂提供了实验基础。

S型异质结不但可以提高载流子的分离效率，还可以维持较强的氧化还原能力。因此，构建S型异质是提高光催化二氧化碳还原反应的有效途径。本研究通过静电自组装法构建了具有近红外光响应(> 780 nm)的二维BiOBr_0.5Cl_0.5纳米片和一维WO₃纳米棒S型异质结光催化剂，并用于高效还原二氧化碳。能带位置和界面电子相互作用的综合分析表明：在光催化二氧化碳还原反应过程中，BiOBr_0.5Cl_0.5/WO₃遵循S型电子转移路径；不仅提高了载流子的高效分离，还维持了两相(BiOBr_0.5Cl_0.5和WO₃)较高的氧化还原能力。此外，二维纳米片/一维纳米棒的结构使得半导体之间具备良好的界面接触，有利于载流子的分离，且暴露更多的活性位点，最终提高催化效率。结果显示，BiOBr_0.5Cl_0.5/WO₃异质结催化剂表现出较高的CO₂还原能力和CO选择性，CO的产率高达16.68 μmol∙g^-1∙h^-1，分别是BiOBr_0.5Cl_0.5的1.7倍和WO₃的9.8倍。本工作为构建S型二维/一维异质结光催化剂高效还原二氧化碳提供了新的思路。

纳米片与空心球上之间的合理界面调控是开发高效太阳能制氢光催化剂的潜在策略。在各类光催化材料中，金属硫化物由于具有相对较窄的带隙和优越的可见光响应能力而被广泛研究。ZnIn₂S₄是一种层状的三元过渡金属半导体光催化剂，其带隙可控(约2.4 eV)。在众多金属硫化物光催化剂中，ZnIn₂S₄引起了广泛兴趣。然而，单纯的ZnIn₂S₄光催化活性仍然相对较差，主要是因为光生载流子的复合率较高、迁移速率较慢。在半导体光催化剂上负载助催化剂是提升光催化剂性能的一种有效方法，因为它不仅可以加速光生电子和空穴的分离，而且还可以降低质子还原反应的活化能。作为一种三元过渡金属硫化物，NiCo₂S₄表现出较高的导电性、较低的电负性、丰富的氧化还原特性以及优越的电催化活性。这些特性表明，NiCo₂S₄可以作为光催化制氢的助催化剂，以加速电荷分离和转移。此外，NiCo₂S₄和ZnIn₂S₄都属于三元尖晶石的晶体结构，这可能有助于构建具有紧密界面接触的NiCo₂S₄/ZnIn₂S₄复合物，从而提高光催化性能。本文中，将超薄ZnIn₂S₄纳米片原位生长到非贵金属助催化剂NiCo₂S₄空心球上，形成具有强耦合界面和可见光吸收的NiCo₂S₄@ZnIn₂S₄分级空心异质结构光催化剂。最优NiCo₂S₄@ZnIn₂S₄复合样品(NiCo₂S₄含量：ca. 3.1%)的析氢速率高达78 μmol·h^-1，约是纳米片组装ZnIn₂S₄光催化剂析氢速率的9倍、约是1% (w, 质量分数)Pt/ZnIn₂S₄样品析氢速率的3倍。此外，该复合光催化剂在反应中表现出良好的稳定性。荧光和电化学测试结果表明，NiCo₂S₄空心球是一种有效的助催化剂，可促进光生载流子的分离和传输，并降低析氢反应的活化能。最后，提出了NiCo₂S₄@ZnIn₂S₄光催化析氢的可能反应机理。在NiCo₂S₄@ZnIn₂S₄复合光催化剂中，具有高导电性的NiCo₂S₄助催化剂可快速接受ZnIn₂S₄上的光生电子，用以还原质子生成氢气，而电子牺牲剂TEOA捕获光生空穴，进而完成光催化氧化还原循环。该研究有望为基于纳米片为次级结构的分级空心异质结光催化剂的设计合成及其光催化制氢研究提供一定的指导。

利用太阳能驱动生产高能量密度的H₂O₂太阳能燃料引起了广泛关注，但目前光催化剂缓慢的动力学限制了其实际应用。本文制备一种聚多巴胺(PDA)改性的反蛋白石结构ZnO(ZnO@PDA)光催化剂，用于可持续性的光催化产H₂O₂。由于电子的转移，因此当PDA与ZnO接触后，会在界面处形成一个从PDA指向ZnO的内建电场。在内建电场和能带弯曲的驱动下，ZnO导带中的光生电子与PDA最高占据分子轨道(HOMO)中的空穴复合，符合梯型异质结的电荷转移和分离途径。这种独特的梯型异质结确保了有效的电子或空穴的分离并且留存下具有强氧化还原能力的光生载流子。此外，与纯ZnO相比，反蛋白石结构的ZnO@PDA具有更强的光吸收能力。实验表明，归因于光吸收能力的提高，光生载流子的有效分离和强氧化还原能力，负载0.03% (原子分数) PDA的ZnO样品具有最佳的产H₂O₂性能(1011.4 μmol·L^-1·h^-1)，分别是纯ZnO和PDA的4.4和8.9倍。

随着工业技术的飞速发展，大量有机污染物被应用于生活的各个领域，由此带来了严重的环境问题。众所周知，半导体光催化技术是一种有效且环境友好的降解去除典型污染物的方法，而光催化剂在该技术的应用中起着关键作用。因此，在光催化污染物降解领域，人们已经尝试研究了各种半导体材料。其中石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是近年来公认的“明星”材料之一。因其独特的二维层状结构和良好的可见光响应而引起了人们的极大兴趣。由于带隙较窄(~2.7 eV)、能带结构可调以及良好的物理化学稳定性，g-C₃N₄对太阳光谱的吸收可达450 nm，具有一定的可见光光催化性能。然而，g-C₃N₄在去除抗生素和染料方面的降解效率仍然存在不足，例如光生电荷的快速复合以及空穴的氧化能力弱等。为了优化这种有前景的光催化材料，人们尝试了多种方法来改善g-C₃N₄的电子能带结构，例如金属/非金属元素掺杂、形貌调控和官能团修饰等。最近，人们提出了由两种N型半导体光催化剂组成的梯形异质结理念，它可以利用半导体材料更正的价带和更负的导带。相关结果表明，构筑梯形异质结是提高g-C₃N₄光催化活性的最有效方法之一。因此，本文通过简单的原位溶剂热生长法制备了新型0D/2D Bi₄V₂O₁₁/g-C₃N₄梯形异质结光催化剂。Bi₄V₂O₁₁/g-C₃N₄复合材料对去除土霉素(OTC)和活性红染料展示出了优异的光催化活性。尤其是BVCN-50复合材料对OTC和活性红的降解效率高达74.1%和84.2%，该过程的主要活性物种为·O₂^-。大幅增强的光催化性能归因于Bi₄V₂O₁₁和g-C₃N₄之间形成的梯形异质结保持了光催化体系的强氧化还原能力(Bi₄V₂O₁₁的强氧化能力和g-C₃N₄的强还原能力)，并促进了光生电荷的空间分离。此外，金属Bi⁰的表面等离子共振效应可以拓宽异质结系统的光吸收范围。此外，基于高效液相色谱-质谱联用(LC-MS)分析，我们研究了OTC降解过程中可能的中间体和降解路径。这项工作为设计和制备g-C₃N₄基梯形异质结用于抗生素和活性染料降解提供了一种新的策略。

构建具有高效电荷迁移效率和丰富活性位点的异质结光催化体系是提升光芬顿反应速率的有效途径。本研究通过简单的水热法合成了2D/2D结构的α-Fe₂O₃/g-C₃N₄ S型异质结光芬顿催化剂，并使用X射线衍射仪技术(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶变换红外吸收光谱(FTIR)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)等分析手段对α-Fe₂O₃/g-C₃N₄的晶体结构、微观结构、化学组分和光学性质进行了详细的表征。通过在可见光照射下降解四环素，评测了α-Fe₂O₃/g-C₃N₄的催化活性。结果表明，光催化反应与芬顿反应的协同作用使α-Fe₂O₃/g-C₃N₄ (1 : 1)展现出了优异的光芬顿催化活性：在可见光照射下，仅加入微量的双氧水便可辅助催化剂在20 min内对四环素的降解率达到78%，其降解速率分别是单一的α-Fe₂O₃和g-C₃N₄的3.5倍和5.8倍。α-Fe₂O₃/g-C₃N₄复合材料优异的催化活性得益于在2D/2D S型电荷迁移机制上构建的光芬顿催化体系。2D/2D S型异质结能够显著促进电子和空穴的传输与分离，并为催化剂提供较大的比表面积和丰富的活性位点，同时还能保持复合材料最佳的氧化还原能力。此外，光催化反应促进了Fe³⁺的还原，从而加速了芬顿反应中羟基自由基的产生。总之，本研究为构建高效、稳定的光芬顿催化体系提供了一条简单有效的途径。