化石能源的短缺及其环境污染是全球关注的热点问题。氢能作为一种“零污染、零碳、能量密度高、环境友好、来源广”的可持续清洁能源之一在全球能源分配中扮演着重要角色。光催化技术由于可以利用自然界中的太阳能作为驱动力实现光催化分解水制氢和降解有机污染物,所以受到科研工作者的广泛关注。因此,为了将氢能作为可再生能源桥梁和高效的去除水中的有机污染物,迫切需要寻找一种廉价高效的光催化剂。近年来,石墨相氮化碳（g-C₃N₄）因具有来源广、仅由碳和氮两种元素组成、绿色环保、廉价易得、热稳定性和抗腐蚀性好、禁带宽度约为2.7 eV且还原能力强等优势受到了许多科研工作者的青睐。然而,单一的g-C₃N₄在光激发下,光生电子和空穴位于相同的3,s-三嗪环中（空穴位于N和电子位于C）,从而导致其光生电子-空穴很容易重新复合。此外,g-C₃N₄具有小的比表面积和低的太阳能利用率等缺点极大的限制了其在光催化领域的应用。因此,通过调控形貌、引入碳质媒介和设计给体-受体（Donor-Acceptor,D-A）共轭聚合物来抑制光生载流子的复合和提高光能利用率,进而提高g-C₃N₄的光催化分解水制氢和降解有机污染物性能具有重要的意义。本论文通过调控g-C₃N₄的形貌、构建碳质媒介耦合g-C₃N₄基异质结和g-C₃N₄基D-A共轭聚合物研究了能带结构、理化性质和光电性质等对光催化性能与机理的影响。本论文主要工作内容如下:1.不同形貌g-C₃N₄的可控制备及其增强光催化活性的行为机理研究（1）通过硝酸根离子（NO₃^-）插层氢键效应,我们首次制备了NO₃^-剥离超薄g-C₃N₄纳米片（ug-C₃N₄）。通过调控NO₃^-在g-C₃N₄插层间的浓度,实现了同时对g-C₃N₄纳米片厚度、能带结构、比表面积以及缺陷进行调控。与体相g-C₃N₄（bg-C₃N₄）相比,ug-C₃N₄不仅具有大的比表面积,而且拥有更多的缺陷加速光生载流子的分离和传输。同时,优化过后最佳的ug-C₃N₄-7可见光下光催化产氢(836.3μmol h^-1 g^-1)和降解2-巯基苯并噻唑（2-Mercaptobenzothiazole,MBT,84%,2 h）的效率约是bg-C₃N₄的4.0倍和1.75倍。（2）通过前驱体重整策略克服氢键作用,制备了管口闭合程度可调和具有空间电荷各向异性的g-C₃N₄微米管（mg-C₃N₄）。相比于bg-C₃N₄和ug-C₃N₄,mg-C₃N₄的光催化制氢速率明显提高。特别是mg-C₃N₄-24显示最好的光催化制氢活性(957.9μmol h^-11 g^-1),分别是bg-C₃N₄和ug-C₃N₄的18.72和3.77倍。此外,选择性光沉积实验结果揭示了载流子迁移行为,即光生电子迁移到外壳,空穴更倾向于迁移到mg-C₃N₄的内壳层,从而实现高效的空间电荷各向异性分离。2.碳质媒介耦合g-C₃N₄基复合材料的构建及光催化性能与机理研究（1）通过简单的水热法我们成功的制备了由酵母菌衍生的碳（Yeast-derived Carbon,YC）球作为电荷载流子传输桥梁修饰的2D/2D Cu₂WS₄/g-C₃N₄异质结。YC球的引入不仅有利于加速电荷传输,而且能够拓宽光吸收范围。YC球还可以增加比表面积和表面粗糙度来增强复合催化剂对污染物分子的吸附能力,这为光催化反应提供了丰富的活性位点。因此,g-C₃N₄/YC/Cu₂WS₄异质结光催化剂在可见光下降解六价铬Cr（Ⅵ）和四环素（Tetracycline,TC）显示出高效的光催化活性。同时,随着溶液中Cr（Ⅵ）向Cr（Ⅲ ）的转化,水生生物大型溞（D.magna）的急性毒性逐渐降低。此外,还对可能产生的中间产物和光催化反应机理进行了深入的探究。（2）通过简便的水热法成功制备了氮掺杂石墨烯量子点（Nitrogen-doped Graphene Quantum Dots,NGQDs）修饰的Z型g-C₃N₄/Bi₂WO₆异质结,大大提高了电子-空穴的分离效率和光的捕获能力。NGQDs修饰的Z型g-C₃N₄/Bi₂WO₆异质结在光催化降解各种抗生素中表现出良好的普遍性。在可见光照射下,NGQDs作为有效的活性位点和电子传输媒介显著的提高了光催化降解TC、环丙沙星（Ciprofloxacin,CIP）和土霉素（Oxytetracycline,OTC）活性。此外,利用电子自旋共振（ESR）技术和自由基捕获实验,我们发现NGQDs修饰的Z型g-C₃N₄/Bi₂WO₆异质结在光催化降解有机污染物过程中的主要活性物种是空穴,超氧自由基（·O₂^-）和羟基自由基（·OH）。（3）我们采用简易的热处理方法,制备了脲醛树脂碳化得到的氮掺杂碳（UFR-NC）丝带修饰g-C₃N₄纳米片。g-C₃N₄/UFR-NC复合材料不仅具有较大的比表面积、较好的结晶度和良好的稳定性,而且拥有高效的载流子分离效率。此外,g-C₃N₄/UFR-NC复合材料在可见光至近红外范围内均具有良好的光吸收性能,通过改变UFR-NC丝带的含量可以调节能带结构。相比之下,g-C₃N₄/UFR-NC_0.02复合材料在可见光下展现出最高的光催化制氢活性(1686.4μmol h^-1 g^-1),这是三聚氰胺直接煅烧得到的g-C₃N₄-M和尿素直接煅烧得到的g-C₃N₄-U的54.75和6.51倍。此外,g-C₃N₄/UFR-NC_0.02在波长等于475 nm和波长大于800 nm的近红外光下,光催化制氢活性也可以达到531.8μmol h^-11 g^-1和9.0μmol h^-1 g^-1。3.g-C₃N₄基D-A共轭聚合物的设计及其光催化分解水制氢性能与机理研究（1）通过三聚氰胺甲醛（Melamine Formaldehyde,MF）树脂与尿素共聚得到了具有多孔结构和大比表面积的新型g-C₃N₄-MF_x D-A共轭聚合物。制备的g-C₃N₄-MF_x D-A共轭聚合物不仅显示出高的光能利用率,而且具有优异的载流子的分离和传输性能。与纯g-C₃N₄相比,g-C₃N₄-MF₁₀₀的比表面积明显增大和导带位置明显向上平移。相比于单一的g-C₃N₄,多孔g-C₃N₄-MF₁₀₀00 D-A共轭聚合物具有最佳的光催化制氢性能(3612.65μmol h^-11 g^-1)。此外,g-C₃N₄-MF₁₀₀ D-A共轭聚合物的表观量子效率达到8.6%（420 nm）。（2）以苯甲酰基异硫氰酸酯（Benzoyl Isothiocyanate,BI）为前驱体与尿素共聚制备了超薄的g-C₃N₄-BI_x D-A共轭聚合物。超薄g-C₃N₄-BI_x D-A共轭聚合物不仅能有效的抑制电荷反向复合而且能够拓宽光吸收范围。此外,与纯g-C₃N₄相比,超薄的g-C₃N₄-BI_x D-A共轭聚合物具有更高的结晶度和更负的导带位置。瞬态吸收光谱也表明超薄的g-C₃N₄-BI₄₀₀ D-A共轭聚合物有效的增强了载流子的正向转移能力。最终,相比于合成的其他样品,超薄g-C₃N₄-BI₄₀₀ D-A共轭聚合物拥有最佳的光催化分解水制氢性能(5442.74μmol h^-1 g^-1)。且在420 nm和450nm处AQE达到了23.7%和7.0%,远远超过了之前报道的大多数g-C₃N₄基D-A共轭聚合物和超薄g-C₃N₄纳米片。