化石燃料的过度消耗不仅会带来能源危机，而且其燃烧产生的CO2气体在大气中日益增长也会引发环境问题。太阳能驱动CO2还原为化学品被认为是一个解决能源和环境问题比较有前景的途径。高效的光催化剂的设计与合成是实现太阳能转化CO2的关键。石墨相氮化碳(g-C3N4)由于具有无毒、价格低廉、高稳定性、可见光响应以及较强的氧化还原能力等优点在光催化领域被广泛关注。本论文设计制备了高活性和高稳定性的g-C3N4及其零维/二维(0D/2D)异质结，研究g-C3N4结构缺陷、0D/2D异质结中界面电荷转移以及过渡金属耦合的0D/2D异质结等对光催化还原CO2性能的影响。主要研究内容如下:
　　采用酒石酸辅助双氰胺热解制备了含N缺陷的g-C3N4纳米片，N缺陷位于g-C3N4骨架中三配位的N以及端基NHx上。缺陷的存在提高了g-C3N4的光吸收性能，促进了电荷的有效分离;酒石酸辅助制备的g-C3N4具有比增加的表面积和孔体积，这些协同作用使得其光催化还原CO2制CO的产量为285μmol g-1，是同等条件下双氰胺合成g-C3N4的8倍。电荷动力学研究发现，g-C3N4中的N缺陷可以作为光生电荷的俘获位点延长电荷的寿命，从而提高电荷分离效率。另外，N缺陷导致g-C3N4层间距的减小有利于电荷向半导体表面的迁移。
　　基于上述有效g-C3N4纳米片的发现，利用NH2-MIL-125(Ti)和三聚氰胺为前驱体通过两步原位热解的策略制备了富含氧空位的0D/2D TiO2/g-C3N4异质结。在原位热解过程中，半导体间通过化学键形成紧密的相界面。二次热处理有利于高结晶度TiO2量子点的形成，同时对g-C3N4起到剥片作用，使其由块状向纳米片形貌转变。制备的0D/2DTiO2/g-C3N4具有较大的比表面积和孔体积、高的CO2吸附能力、增强的可见光吸收性能以及较好的电荷分离效率，其光催化还原CO2生成CO产量为389μmol g-1。电荷动力学研究发现，异质结界面处的电荷从2D g-C3N4向0D TiO2转移发生在亚皮秒的时间尺度，超快的电荷转移促进了电荷的有效分离。同时，界面电荷转移致使载流子快速衰减，电荷处于浅俘获态，有利于CO2的吸附与活化。
　　在上一部分工作基础上，引入过渡金属修饰0D/2D TiO2/g-C3N4异质结。利用ZIF-67、NH2-MIL-125(Ti)为前驱体与尿素原位热解构筑了0D/2D TiO2/Co/g-C3N4异质结，其光催化还原CO2生成CO的产量达到1437μmol g-1。结构分析表明，Co掺杂在0D/2DTiO2/g-C3N4异质结中。界面处的Co作为电子的传输媒介，加速了电子转移，显著地提高了电荷分离与迁移效率。此外，反应机理研究发现，反应体系中加入的[Co(bpy)3]2+在可见光下没有催化活性。在反应过程中，非均相材料与均相[Co(bpy)3]2+之间发生电子转移，电子由非均相材料转移到均相[Co(bpy)3]2+，作为活性位催化CO2还原为CO。
　　综上所述，本论文发现过渡金属键连的异质结相界面，可显著地提高电子转移速率，增强光催化还原CO2的活性。同时，为多维度g-C3N4异质结的设计合成及其应用于高效的光催化还原CO2提供了借鉴。