人类社会高速发展带来的能源危机和环境污染问题日益严重,光催化技术作为一项绿色技术能够利用太阳光解水制氢和降解污染物而备受关注。石墨相氮化碳（g-C₃N₄）由于独特的电子结构、不含金属元素和对可见光有着良好的响应等特性,使其受到大量科研工作者的青睐。但是,g-C₃N₄的比表面积较小、光生电子-空穴对极易复合和对光的利用率较低等缺点影响了它的光催化活性。因此,怎样提高g-C₃N₄的光利用率和光催化活性是目前研究的重点。本文通过合成g-C₃N₄微米线和纳米线结构增大比表面积,掺杂Na、Fe和S元素改变g-C₃N₄电子能带结构增强光催化制氢和降解有机物的活性。本论文主要内容包括以下三个部分:第一部分以三聚氰胺作为原料,采用超分子水凝胶法制备了多孔纤维状g-C₃N₄光催化剂改善其光催化产氢性能。通过XRD、SEM、TEM、FTIR、XPS、BET分别表征样品的晶体结构、微观形貌、元素成键状态和比表面积;UV-Vis光谱、PL光谱、光电化学测试用来表征样品的光电特性;将样品置于光照下光解水产氢表征样品的光催化活性。根据测试结果合理推测了g-C₃N₄微米线光催化制氢的影响因素,并以尿素作为前驱体合成不同结晶度的g-C₃N₄作为对比实验。结果表明,g-C₃N₄微米线由于其较大的比表面积可以在表面提供更多活性位点,增强光催化产氢性能。不仅如此,根据XRD和XPS结果分析可得,同种前驱体合成的纯相g-C₃N₄的结晶度和聚合度越大,其光催化产氢性能越好。根据以上结论,本实验为提高g-C₃N₄光催化产氢活性提供了一种新方法。第二部分选用NaBH₄处理超分子水凝胶并优化实验条件,使得Na离子进入g-C₃N₄晶格中,形成电子-空穴对转移和分离的桥梁,最终得到掺杂Na的g-C₃N₄纳米线光催化剂。然后对掺杂Na的g-C₃N₄光催化剂进行微观形貌、晶体结构、元素成键状态、比表面积和光电特性进行表征,并在λ>420 nm的光照下进行光催化制氢活性测试。结果表明成功合成了Na/g-C₃N₄纳米线,且纳米线结构大幅增大了g-C₃N₄的比表面积。Na⁺与芳香环边缘N原子上的孤电子形成Na-N弱共价键存在于共轭平面结构中。Na/g-C₃N₄纳米线的直径约为100-150 nm,长度达数十微米。相比于g-C₃N₄纳米线和块体g-C₃N₄,Na/g-C₃N₄在可见光区域的吸光性能明显增强,同时在光照下能够产生更多光生载流子并得到有效分离。在λ>420 nm可见光下,经过10 mmol NaBH₄处理后的前驱体合成的10Na/CN光催化活性最好,产氢效率高达17.4μmol/h,平均内量子效率为4.67%。产氢效率分别是g-C₃N₄纳米线和块体g-C₃N₄的12.4倍和35.0倍。此外,我们采用第一性原理对Na掺杂g-C₃N₄进行了深入研究,通过计算（100）晶面差分电荷证实了Na⁺与N原子形成Na-N弱共价键存在于g-C₃N₄芳香环平面的空位中。计算出的能带结构、HOMO和LUMO结果表明Na掺杂改变了g-C₃N₄的电子能带结构,HOMO和LUMO较大的离域程度能够有效促进光生载流子的分离和转移,增强光催化活性。本次通过实验和理论结合的方法,对Na掺杂g-C₃N₄纳米线增强光催化活性的机理进行了深入研究,为合成高活性光催化剂提供有效途径。第三部分通过金属和非金属杂质原子掺杂进入g-C₃N₄晶格,可以改变g-C₃N₄的电子结构和调整带隙提高可见光催化性能。以三聚氰胺、氯化铁和三聚硫氰酸作为原料,在高温下通过热聚合反应合成了Fe和S共掺杂的g-C₃N₄,且具有多孔卷曲的纳米片结构。Fe和S共掺杂的g-C₃N₄提高了可见光吸收能力和减小带隙增强了光生电子-空穴对的迁移率,光催化降解RhB性能是纯相g-C₃N₄的7倍。Fe³⁺离子在3-s-三嗪环平面结构的三角空位中心,S原子掺杂取代3-s-三嗪环骨架中的N原子,增大g-C₃N₄ HOMO和LUMO的离域程度和增加反应活性位点,促进光生载流子的迁移,从而增强g-C₃N₄的可见光催化性能。