随着化石燃料的大量消耗和现代工业的持续发展,能源缺乏和环境污染问题已经成为21世纪人类面对的两大主要难题。因此,从人类社会长远、可持续发展的角度出发,我们迫切需要发展一种环境友好、可再生的能够用于能源的绿色生产和解决环境问题的技术。在提出的众多策略中,具有经济、清洁、安全和可持续等优点的光催化技术被认为是解决能源短缺和环境问题的有效途径之一。在光催化剂的存在的情况下,光催化技术可以把太阳能转化为可直接利用的清洁化学能源(氢气);除此之外,光催化技术还能通过一种绿色环保的化学流程充分有效地将环境中的污染物降解为无毒无害的物质。近年来,非金属聚合物-类石墨相氮化碳(g-C3N4)逐渐得到了科研界的关注。g-C3N4原料低廉、制备简单、受可见光驱动(Eg = 2.7eV)、无毒,具有独特的电子能带结构和优异的物理化学稳定性等一系列优点。尽管有以上诸多优点,对于单纯、未经修饰的g-C3N4光催化剂来讲,其优点仍然不能弥补在光催化反应中光生载流子的分离效率较低的事实,较低的电荷分离效率直接导致了其光催化性能低下,远不能达到实际应用的标准。因此,需要对单一的g-C3N4进行修饰或者改性,提高其光催化效率和光化学反应稳定性,从而满足人类社会的需求。最近,构建基于g-C3N4材料的复合催化材料已成为提高g-C3N4光生电子-空穴对的分离效率和增强其光催化性能的研究热点。本文主要研究、设计了几种g-C3N4基复合催化剂,在表征催化剂的内部结构和优良的可见光光催化性能的同时,根据实验和表征结果提出了合理的光生电荷分离、转移和反应机制。本论文的具体研究内容如下所示:1.为了提高氧化锌(ZnO)的稳定性,光学性能和可见光光催化活性,我们使用可量化生产的、经济且简单的方法利用石墨碳氮化物(g-C3N4)对氧空位型氧化锌(Vo-ZnO)进行了改性。与纯Vo-ZnO和g-C3N4相比,g-C3N4/Vo-ZnO复合光催化剂在可见光照射下对有机污染物的降解具有较高的光催化活性。实验和表征结果的表明,在VoZnO中引入g-C3N4可使ZnO产生高浓度的氧空位,从而促进了其在可见光区的吸收。此外,g-C3N4和Vo-ZnO之间形成的界面强耦合大大提高了光生电子-空穴对的分离效率,导致较高的可见光光催化活性。当g-C3N4的负载量为1 wt%时,g-C3N4/Vo-ZnO复合光催化剂表现出最高的光催化降解活性。此外,在经5个循环测试之后,其光催化降解甲基橙(MO)和腐殖酸(HA)的的能力并未有显著的降低,表明其具有较高的光稳定性。最后,根据Vo-ZnO和g-C3N4之间的相对能带位置及实验结果,我们提出了 Z-Scheme光生电荷转移机制。2.本章中构建了一种g-C3N4基复合光催化剂(C3N4/CBV2+),g-C3N4与氧化还原介体-紫精((1,1 ’-bis(4-carboxylatobenzyl)-4,4’-bipyridinium)dichloride,表示为CBV2+)在表面通过氢键复合,从而增强g-C3N4在可见光照射下产生氢气的能力。CBV2+分子不仅可以为金属颗粒形成提供活性位点,而且还可以作为电子转移介体将光生电子从g-C3N4有效的转移至铂纳米颗粒(Pt NPs)。矢量电荷转移有利于C3N4/CBV2++复合光催化剂中光生电子和空穴的有效空间分离,并促进光生载流子直接用于光催化分解水制氢。当引入1 wt%的CBV2+时,C3N4/CBV2+复合光催化剂的产氢速率增加至41.57 μmol h-1,是未修饰g-C3N4产氢速率(仅0.49 μmol h-1)的85倍。值得注意的是,在连续照射20小时后,复合光催化剂的光催化活性的几乎没有降低,表明其稳定性良好。3.本章中研究设计了 一种新型高效的可见光光催化制氢体系:g-C3N4/1,P-FerrocenedicarboxylicAcid(FcDA)复合体系。其中,FcDA 分子作为氧化还原介体用于传递光生空穴,铂(Pt)作为电子陷阱用于捕获光生电子并作为发生还原反应的活性位点。通过分子上的羧基和氮化碳上的氨基之间的氢键作用以及FcDA子上的芳香环和石墨相氮化碳之间的π-π相互作用,FcDA分子被有效的锚定在g-C3N4表面上。g-C3N4和FcDA分子之间有效的能级匹配促进光生空穴从g-C3N4的价带转移到FcDA分子上形成FcDA+自由基,从而使g-C3N4中的光生电子和空穴得到有效分离。由于额外的电荷分离途径,增加了光生空穴的转移动力学和分子间自由基反应,光生电子-空穴对的复合被有效地抑制,因而更多的电子可以参与光催化制氢反应。在最佳实验条件下,FcDA分子的负载量为4 wt%时,g-C3N4/FcDA复合材料具有最高的光解水制氢活性,H2 析出速率高达 77.91μmolh-1,是纯 g-C3N4(0.21 μmolh-1)的 371 倍。此外,g-C3N4/FcDA复合光催化剂具有优异的光化学稳定性,在长达二十个小时的光催化测试之后产氢产率没有明显的降低。