持续扩大的能源依赖和燃料需求使当今社会面临严重的能源问题和环境危机。人们已经意识到开发可再生绿色能源的重要性,并且正在投入大量的研究。其中,氢气（H2）和过氧化氢（H2O2）作为理想的载能体,成为研究热点。光催化水分解的方法不仅利用了源源不断的太阳能,又结合了催化过程清洁无污染的特点,是生产H2和H2O2最有潜力的途经之一。目前,在光催化领域,低的催化效率、高的催化剂成本和不精准的电荷控制阻碍了其工业化进程。因此,设计合成高效的非金属催化剂和深入探究催化过程中电荷的变化成为光催化制氢和光催化合成H2O2的主要目标。本论文旨在设计合成碳基非金属催化剂,深入研究和调控催化过程中的电荷变化,实现H2或H2O2的高效生产。首先,以非金属有机染料为基础,设计并合成出具有光催化活性的碳基非金属纳米催化剂,并通过控制合成参数优化催化剂的催化活性;其次,对所制备的催化剂的基本性质、能带结构和光电性质进行探索和表征;最后,研究并调控碳基非金属纳米材料在催化反应过程中的电荷变化,探索其催化活性及反应机理,以实现催化剂的高效产H2和H2O2的应用。具体工作分为以下几个方面:1.从光催化反应原理来看,光催化分解水本质上受到电位和光的限制。以非金属有机染料为基础,通过高温热分解的方法制备了具有丰富石墨烯拓扑缺陷的多种无金属碳催化剂（OPC-900、RB-C、Ig-C、QD-C和Dd-C）,其表面可产生并积累电荷,在搅拌或光照条件下,实现将水在低导电性介质中分解为H2和氧气（O2）。该催化剂消除了光催化水分解所受到的高电能和间歇太阳能的限制。其在超纯水中机械能转换效率可达7.01%。本工作将可见光与低价值的机械能结合起来,实现了空气中水分解制氢,并验证了该制备方法和催化机理的普适性。2.利用有机染料优异的光吸收特性提高光催化剂对光的吸收能力,是增强催化剂光催化活性的有效途经之一。以有机染料原花青素为原料,通过水热聚合的方法制备了有机聚合物催化剂PPC-100,实现了 H2O2的高效光催化合成,其H2O2的生产速率可以达到1214 μmol/g/h。该催化剂合理地利用了染料本身的光吸收性能与聚合物的低的带隙特点,有效地促进了光生电荷的产生和转移,阻碍了电子-空穴的复合。本工作设计的聚合的单染料光催化剂为高效碳基非金属催化剂的设计提供了新思路。3.光催化水分解制氢和H2O2都是基于水的反应,但是在一种催化剂上进行这两种反应是极具挑战的。通过原花青素与4-甲氧基苯甲醛的缩聚反应,设计并合成了一种功能可切换的无金属催化剂PC-MB-3。该催化剂不仅可以在没有空气的情况下分解水产生H2,而且可以在空气中还原O2产生H2O2,其产率分别达到252.02和1385.42 μmol/g/h。此外,通过原位瞬态光电压测试和动力学分析,对该光催化剂的高效和功能可切换有了清晰的基本认识。这项研究突出了催化剂的可控的功能选择性行为,并为功能转换催化剂的设计和催化反应的调控提供了见解。4.盐离子对材料的失活效应和光生电荷的快速消耗仍然是大多数光催化剂面临的主要问题,这些问题严重制约了光催化剂的广泛应用和发展。通过酚醛缩合法,将碳点（CDs）原位引入有机染料分子原花青素和4-甲氧基苯甲醛构建的聚合物框架中,合成了非金属的复合光催化剂PM-CDs-30。该催化剂在真实海水中表现出较强的光催化产生H2O2的能力,其产率最高可达1776 μmol/g/h,比纯聚合物（PM-CDs-0）高出4.8倍。通过原位光电化学和瞬态光电压测试,深入分析了该复合催化剂在海水中的活性位点和催化机理。这项工作为真实海水中产生H2O2的非金属催化剂的设计提供了策略。