全球性的能源危机和环境问题使得发展可再生能源成为世界范围内的共识。氢作为一种绿色低碳的能源载体,将在清洁安全的未来能源构想中发挥关键作用。相比于化石能源制氢,利用太阳能直接分解水制氢是更为理想和有前景的制氢方式。作为太阳光光催化分解水制氢技术的核心,高效、稳定和低成本光催化材料的设计和开发成为研究的热点。在众多光催化材料中,具有类石墨烯二维结构的石墨相氮化碳（g-C₃N₄）因其简单的元素构成（仅包含碳和氮元素）,可调的电子能带结构,优异的物理和化学稳定性和低廉的成本被广泛关注。本论文主要基于g-C₃N₄材料,设计制备具有高活性、长效稳定性且面向实际应用的光催化剂,并将其应用于光催化分解水制氢中。具体研究内容如下:（1）针对传统直接热聚合法制备的g-C₃N₄普遍存在的可见光响应能力差和载流子复合问题,设计了一种可放大合成的水合肼辅助一步热聚合法,在g-C₃N₄结构中引入N空位,调变其能带结构,拓展光响应范围,提高载流子分离迁移效率。表征结果表明,N空位形成于三嗪环中与两个C相连的N_2C位。N空位的引入使得样品的本征带隙能和亚带隙能均有所减小,材料的长波长可见光响应能力明显提升。可见光驱动的光催化制氢实验结果表明,性能最优的N空位修饰的g-C₃N₄样品在大于420和470 nm可见光照射下的制氢速率分别达到8171和3895 μmol·h^-1·g^-1。稳定性实验结果证实,N空位修饰的样品在40小时的循环实验中结构和制氢性能均能保持稳定。该研究工作为制备性能和稳定性优异的N空位修饰g-C₃N₄光催化剂提供了一条新的途径。（2）除可见光响应范围有限及载流子复合问题,传统直接热聚合法制备的g-C₃N₄通常比表面积较小,难以在反应中暴露足够的活性面积。为增大g-C₃N₄的比表面积,同时调变能带结构,拓展光吸收范围,提高载流子迁移效率,设计了一种无模板自组装法,制备C和O共掺杂分级多孔g-C₃N₄纳米带光催化剂。该合成方法获得的样品展示规则的由多孔纳米片组成的分级纳米带形貌,比表面积达到120m²·g^-1。相关表征和计算结果表明,C和O原子以取代N原子的形式掺杂至g-C₃N₄的结构中。相比于原始g-C₃N₄,经纳米结构设计和元素共掺杂后的样品带隙缩小,光谱响应范围拓展。同时,改性后的样品导带位置发生负移,光生电子的还原能力增强。基于此,性能最优的C和O共掺杂分级多孔g-C₃N₄纳米带光催化剂在大于420 nm可见光照射下的分解水制氢速率达到18380μmol·h^-1·g^-1,是未改性g-C₃N₄的79.9倍。该研究工作制备了具有新型纳米结构且性能优异的g-C₃N₄光催化材料,为高效制氢催化剂的开发提供了思路。（3）结构调控、纳米结构设计和元素掺杂等策略能够解决g-C₃N₄固有的比表面积小、可见光响应范围有限和载流子复合问题,但制氢反应仍然需要使用贵金属Pt作为助催化剂以捕获电子和提供活性位点。受限于Pt的成本,面向实际应用,发展低Pt负载和无Pt负载光催化材料体系是必然选择。本研究通过范德华自组装法将高电子迁移率、低成本和稳定性优异的n-型金属氧化物（TiO₂纳米颗粒和SnO₂纳米线）均匀组装至少层P掺杂g-C₃N₄纳米片表面。n-型金属氧化物能够作为电子传输通道,促进g-C₃N₄光生电子空穴的分离和迁移。基于此,在没有贵金属Pt作为助催化剂的情况下,获得的TiO₂/P掺杂g-C₃N₄纳米片和SnO₂/P掺杂g-C₃N₄纳米片复合材料的可见光制氢性能分别达到1082和2090 μmol·h^-1·g^-1,远高于单一 P掺杂g-C₃N₄纳米片(132 μmol·h^-1·g^-1)。此外,由于n-型金属氧化物对电子的提取作用,在Pt助催化剂负载量仅为0.33 wt%的情况下,TiO₂-Pt/P掺杂g-C₃N₄纳米片和SnO₂-Pt/P掺杂g-C₃N₄纳米片复合材料在大于420 nm可见光照射下的分解水制氢性能分别能够达到11632和12469 μmol·h^-1·g^-1。该研究工作为低Pt和无Pt助催化剂辅助的g-C₃N₄光催化材料体系的设计提供了新的思路。