过度使用化石燃料会排放大量的CO2,导致全球变暖,严重影响人类的生存环境。通常情况下,CO2非常稳定,受自然界光合作用的启发,利用太阳光将CO2转化为CO、CH4和CH3OH等清洁燃料或化工原料,是缓解环境和能源问题的有效途径之一。开发能够高效催化CO2转化的半导体光催化剂是在温和条件下实现CO2高效转化的关键。其中,g-C3N4具有成本低、环境友好、带隙窄和化学稳定性高等优点,被广泛应用于光催化CO2还原的反应中。然而,g-C3N4上较高的光生电子和空穴复合率以及较少的表面活性位点,限制了g-C3N4的应用。将g-C3N4与助催化剂结合是抑制光生电子和空穴复合的有效策略。Ti3C2Tx具有比g-C3N4的导带更低的费米能级,光生电子可以从g-C3N4转移到Ti3C2Tx,从而抑制光生电子和空穴的复合。且Ti3C2Tx表面暴露的金属原子可作为CO2的吸附和反应位点。因此,本文构筑了Ti3C2Tx/g-C3N4、Cu-Ti3C2Tx/g-C3N4和Co-Ti3C2Tx/g-C3N4复合光催化剂,并研究其光催化CO2还原的性能和反应机理。首先,采用静电自组装法制备了具有不同Ti3C2Tx含量的Ti3C2Tx/g-C3N4复合材料,并将其用于光催化CO2还原的反应。结果表明,负载3 wt%Ti3C2Tx的Ti3C2Tx/g-C3N4具有最佳的光催化CO2还原性能,反应4 h后,CO和CH4的产量分别达到23.87μmol·g-1cat和1.89μmol·g-1cat,分别是g-C3N4的4.4倍和4.8倍。研究发现,二维Ti3C2Tx和g-C3N4纳米片的大比表面积可以提供更多的活性位点,且Ti3C2Tx和g-C3N4的紧密接触界面可缩短光生载流子的迁移距离,进而提高g-C3N4光催化CO2还原的效率。其次,在不添加还原剂的情况下,利用Ti3C2Tx表面的自还原能力制备了具有不同Cu含量的Cu-Ti3C2Tx纳米片,并采用静电自组装法构筑了Cu-Ti3C2Tx/g-C3N4复合光催化剂,并将其用于光催化CO2还原的反应中。研究发现,当Cu的负载量为Ti3C2Tx的1 wt%时,Cu-Ti3C2Tx/g-C3N4复合材料表现出最佳的光催化CO2还原性能,反应4 h后,CO和CH4的产量分别为49.02μmol·g-1cat和3.6μmol·g-1cat,分别是g-C3N4的9倍和9.2倍。结合DFT模拟计算、原位红外光谱和紫外光电子能谱等结果,发现在Cu-Ti3C2Tx/g-C3N4光催化体系中,Cu和Ti3C2Tx可作为光生电子的快速传输通道,且Cu和Ti3C2Tx之间的界面可作为CO2的吸附和活化位点,进而提高g-C3N4光催化CO2还原的效率。最后,采用KBH4还原法将Co离子还原在Ti3C2Tx表面制备了Co-Ti3C2Tx纳米片,采用静电自组装法构筑了Co-Ti3C2Tx/g-C3N4复合光催化剂,并将其用于光催化CO2还原的反应中。研究发现,当Co的负载量为Ti3C2Tx的1 wt%时,Co-Ti3C2Tx/g-C3N4复合材料表现出最佳的光催化CO2还原性能,反应4 h后,CO和CH4的产量分别为55.04μmol·g-1cat和2.29μmol·g-1cat,分别是g-C3N4的7.6倍和5.9倍。通过催化剂的表征结果发现,Co-Ti3C2Tx与g-C3N4之间的2D/2D紧密接触界面加速了光生载流子的转移,抑制了光生电子和空穴的复合,进而提高了g-C3N4光催化CO2还原的效率。