当今工业社会的蓬勃发展以及世界人口数量的逐年增加造成了不可再生资源的过度消耗,导致人类社会面临两大挑战,即能源危机和环境污染,开发新型清洁能源和发展持续高效的能量转化形式已经迫在眉睫。作为新能源领域中的一种关键的、高效的、清洁的能量转化方式,光电催化水分解成为了众多科研工作者的研究热点。金属单原子锚定的碳氮基催化剂,具有重整活性金属的电子结构、暴露活性中心、最大化金属原子利用率、化学结构稳定等特点,有利于获得高效的光电催化性能。此外,单原子与碳氮基底强烈的电子相互作用有利于形成均一的、稳定的活性结构,为研究能量转化过程提供了理想模型和现实基础。因此碳氮化物上锚定的金属单原子已经变成广大科研工作者热衷的研究对象。本论文通过易于操作的氨基诱导还原法在碳氮基材料衬底上锚定金属单原子,采用活性位调控、局域p-n结建立、金属结构设计等策略有效地解决了酸性电催化剂结构不稳定、动力学不足和光催化剂吸光能力弱、电子空穴对易复合等关键科学问题,显著提升了光电催化水分解性能,为设计合成性能高效、价格低廉以及利用率高的新型催化剂提供有价值的理论指导和借鉴。利用同步辐射X射线吸收精细结构(XAFS)分析、紫外光电子能谱(UPS)等技术,研究了活性位点的电子结构、局域环境以及金属活性位点与碳氮基衬底之间的相互作用,建立了更加清楚的光电催化剂微观结构和性能之间的构效关系。采用原位同步辐射傅里叶红外光谱(FTIR)测量技术,实现了实时跟踪活性位点的动态结构演变,更加深刻地了解了催化反应的机理。本论文具体研究内容由下面几个部分组成:1、原位FTIR研究单位点Co电催化产氧的动力学过程开发高效稳定的电催化剂,监测其反应位点在工作状态下的变化,对于制备活性高的电催化剂以及工业化应用有指导作用。在此,我们提出一种新型的多种氮配位Co(HNC-Co)单位点电催化剂,其Co活性中心与杂吡啶和氨基N结合,可以作为一种有效的在酸性介质中进行析氧反应(OER)的电催化剂。利用原位同步辐射FTIR光谱技术,首次在OER过程中,在电位驱动下观察到H2N-(*O-Co)-N4活性结构的演化过程,其大大促进了表面含氧物种的转化,从而实现了高效的酸性OER催化。在0.5MH2SO4溶液中,原子分散的HNC-Co能高效地氧化水,过电势为265 mV时达到10 mA cm-2,并且具有很高的TOF为2.8 s-1,并且此电压下质量活性达到7.6 A mgC。-1,大概是商业IrO2电催化剂的80～240倍。2、XAFS研究原子级Pt-Au/C3N4异质结的结构和光解水性能从原子水平上理解光生电子-空穴对分离的原理对于设计合成均一的单原子活性位点催化剂,开发具有协同双功能催化中心的光催化剂,实现高效的光催化水分解对可再生太阳能的可持续转化和储存具有非常重要的意义。在这里,我们提出了一个设计理念,我们成功合成了原子分散的Pt1Nx-Au1Nx引入了局域p-n结构域作为电子-空穴的受体,以实现光激发电子-空穴对的有效的催化反应,实现自发的水全分解反应。我们通过XAFS表征发现锚定在g-C3N4载体上的原子分散的Pt1Nx-Au1Nx氧化还原单位点与基底发生强的sp2耦合作用,成功地引入p-n耦合微区作为有效的双功能电子给体-受体中心,在400-450 nm的可见光范围内,电子空穴分离效率显著提高到60%,是单个Pt/C3N4和Au/C3N4的6-10倍,并且使氧化还原反应势垒降低约300 mV。这种p-n型Pt-Au/C3N4单位点光催化剂能够有效地分解纯水,在420 nm处具有高达285 μmol的析氢速率和3%的量子效率。3、XAFS研究Au cluster-NP/C3N4的结构和光解水性能调节光催化剂的电子结构以及能带结构来设计具有可见光响应的光催化剂对于光催化分解水产氢性能的提高是至关重要的。在这里,我们通过氨基诱导还原以及温度调控的策略成功将金团簇(cluster)和纳米颗粒(NP)整合到半导体(g-C3N4)上。同步辐射XAFS以及UPS表征和理论计算表明,Au-NP与cluster之间的协同电子耦合作用使金属/半导体界面肖特基势垒显著降低了 0.6 eV,加速了等离子体产生的热电子注入动力学,实现了高效的可见光下光解水产氢性能。在400-1100 nm的光吸收范围内,Au cluster-NP/C3N4可以有效地缩短热电子注入时间,高能热电子的平均寿命可以延长一个数量级。因此,得到的Au cluster-NP/C3N4光催化剂的光催化分解水产氢速率为230 μmol g-1h1,是Au NP/C3N4和Au cluster/C3N4 的 6-20 倍。