石墨相氮化碳(graphitic carbon nitride,GCN)是一种新型二维层状材料,近些年来在催化和分离领域表现出较好的应用前景。一方面凭借其简单的合成工艺、对可见光的吸收、优异的热稳定性和化学稳定性,GCN可将取之不尽的太阳能转化为清洁化学燃料,从而为现代工业发展引起的能源危机等问题提供解决方案;另一方面凭借其丰富可调的二维纳米孔道网络,GCN基分离膜有望应用于海水脱盐、污水净化和生物药物等领域。本论文旨在探索GCN的可控合成及其在光催化产氢和分离等方面的性能和机理,深入理解合成方法、微观结构和光催化活性之间的关系,达到优化GCN催化活性的目的;同时,利用具有不同尺寸和功能的(手性)阴离子型支撑层在质子化的GCN层间的嵌入作用调控层间距和层间环境,实现GCN基薄膜对分子、离子在亚纳米尺度的精准筛分及不同手性对映异构体的立体选择性渗透。本论文主要包括以下几方面内容:1.受制于聚合程度低、晶型低、比表面积小、可见光吸收范围窄、光生电子-空穴对复合快等缺陷,传统GCN在光催化产氢反应中一般表现出较低的活性。我们在封闭体系中合成了具有高晶型的GCN,并进一步采用混合溶剂进行高效液相剥离,制备成超薄纳米片。研究结果表明:高晶型GCN本体材料可拓宽可见光吸收范围、促进电子离域和电荷转移、抑制光生载流子复合、减少体系缺陷,有效提高光催化产氢活性,而经剥离得到的高晶型GCN纳米片额外提供了较高的比表面积,进一步促进性能提升。这项工作为合理设计、合成晶型GCN及催化性能的优化在微观层面上提供了新的思路。2.采用强酸(H2SO4,SA)阴离子对GCN进行层间距调控。我们发现GCN共轭平面上均匀、确定分布的sp2N原子可被质子化,而质子化的GCN与嵌入层间的酸根离子(SO42-)之间的静电斥力作用可使复合体系的结构保持稳定,同时GCN的层间距可增大10.8A。在此基础上我们采用真空抽滤法制备成具有两亲性的GCN-SA薄膜,具有不同尺寸和电荷的待分离物种可以选择性通过,且水合半径大于5.4A的分子被阻止通过,从而实现GCN基薄膜在亚纳米尺度上的精准筛分能力。这项工作将为合理调控GCN的层间距,实现纳米尺度下的高效分离打下坚实的基础,并为其它二维材料在分离膜领域的性能探究提供借鉴。3.有机强酸根离子一方面可以通过嵌入GCN改变其层间距,另一方面通过引入手性基团改变GCN的层间环境。我们采用(1R)-(-)-10-樟脑磺酸(CSA)对GCN进行功能化,同时实现了层间距和层间环境的调控,在GCN纳米片层中创造出手性位点,并将所得纳米复合物组装成GCN-CSA薄膜。研究结果表明:一系列具有不同分子量的手性对映异构体可以选择性透过手性阴离子支撑的GCN-CSA薄膜,其中柠檬烯外消旋体的对映体过量(ee)值可达89%,从而证明该薄膜具有较高的立体选择性渗透能力。这项工作在二维材料的手性层间调控方面具有重要的研究价值,为具有医药附加值的手性药物的分离拓展了思路和方法。