能源和环境问题是当今社会面临的两大课题,直接利用太阳光驱动化学反应,实现光解水制氢和污染物降解,已经成为能源和环境领域的研究热点。高效的光催化体系应当由窄禁带半导体组成以保证充分的可见光吸收;具有高的导带位置和低的价带位置以保证光催化反应需要的热力学和动力学的要求;同时需要助催化剂辅助加速表面氧化还原反应。窄禁带半导体材料的开发是构建高效光催化体系的基础。对于单个半导体（例如:WO3、g-C3N4）而言,较低的光吸收效率和严重的电荷复合影响了它们的应用。氧缺陷的存在可以调控WO3的电子结构、促进可见光的吸收以及提高载流子的浓度等。我们采用溶剂热法通过改变溶剂的类型制备出了高比表面积且不同形貌的氧缺陷型氧化钨(W₁₈O₄₉)纳米线,空心球和海胆球。研究发现空心球具有最佳的光吸收和电荷分离效率,其光催化活性分别比纳米线和海胆结构高4.1和1.9倍。非金属掺杂和形貌调控可以拓宽g-C3N4可见光的吸收范围以及提高载流子的分离和迁移等。我们建立了一条以超分子化合物为前驱体制备高活性g-C3N4的方法。首先采用H2O2处理三聚氰胺形成超分子化合物,然后通过焙烧使超分子化合物分解缩聚为g-C3N4。一方面,超分子化合物分解过程中释放的气体可以促使三维孔道结构的形成,有利于光的吸收和反应物的吸附;另一方面,超分子化合物中存在过剩氧原子,它可以替换结构中的N原子掺杂在g-C3N4骨架中,有利于拓宽光的吸收范围和提高电荷的分离效率。最终得到的多孔氧掺杂g-C3N4表现出了优异的光催化产氢性能,其在单波长420 nm处的表观量子效率为7.8%。单个W₁₈O₄₉能够吸收可见光,但其电荷复合较快,此外氧缺陷型氧化物如W₁₈O₄₉还容易被光生空穴氧化。将W₁₈O₄₉与TiO2和BiOCl分别组合形成II型异质结,一方面可以加宽其从紫外到可见光吸收光谱范围,另一方面可以抑制复合,促进电荷在空间上的分离,并提高光催化剂的稳定性。Z型电荷传递机制控制是构建高效光催化体系的关键。研究发现通过添加TEOA可以选择性的控制W₁₈O₄₉/g-C3N4上光生载流子的Z型传递路径,有利于光解水产氢的发生。进一步制备具有良好界面接触的W₁₈O₄₉/g-C3N4复合物表现出更高的光催化产氢性能,当W₁₈O₄₉的含量为10 wt%时,产氢活性最高,产氢速率竟然高达5057.1μmol·h-1·g-1,是两者物理混合物的4.96倍。高效廉价非贵金属助催化剂的开发是构建高效光催化体系的保障。贵金属Pt常被用作降低产氢反应的活化能的助催化剂而加快光解水制氢的反应速率。但由于其造价较高,无法得到大规模的应用。近些年来,研究者将目光瞄准在了非贵金属助催化剂上。我们使用MOF作为自模板剂合成空心双金属硫化物（MxCo3-xS4,M=Zn、Ni、Cu）。由于MOF前驱体的均相组成,第二种金属离子可以均匀的分散在Co3S4晶格中。第二种金属的掺杂和空心结构的形成不仅提高催化剂的活性位点数目,并且优化了其导电性以及氢原子在催化剂上的吸附强度。相比于Co3S4,双金属硫化物的电催化和光催化HER活性显著提高。尤其是Zn0.30Co2.70S4,在宽pH范围（pH=0-14）内表现出更高的电催化析氢活性且光催化产氢活性与Pt相当。