在全球各国工业化进程不断推进的背景下,能源危机和环境污染两大难题亟待解决。传统化石燃料储备面临枯竭,同时CO2大量排放导致温室效应日益严重,世界各国都在寻找可行的碳平衡和碳中和方案。20世纪以来,人工光合作用的相关研究成为研究领域热点课题,其实质即为光催化CO2还原反应。在传统光催化CO2还原反应的相关研究中,多数选择以H2O作为氧化半反应与其耦合形成完整反应体系。然而,H2O氧化半反应存在催化速率低、产物附加值低的问题,严重限制了CO2还原半反应性能。为解决这一问题,可以选择更易发生氧化的有机物代替H2O,与CO2还原构建新型光催化反应体系。5-羟甲基糠醛（5-HMF）作为一种生物质平台化合物分子,本身具有醛基和羟基官能团,不仅易于发生氧化,其氧化产物也具有极高的附加值,满足上述反应需求,因此本论文聚焦光催化CO2还原与5-HMF氧化耦合反应体系开展相关研究。光催化CO2还原与5-HMF氧化耦合反应催化剂需要同时满足如下几点要求:1)具有吸光生成电子-空穴对的能力;2)拥有合适的能带结构,满足化学热力学要求;3)能够同时活化CO2与5-HMF两种反应物分子。层状双金属复合氢氧化物（LDHs）是一类二维层状无机功能材料,借助LDHs化学组成可调特性,合理选择具有半导体性质的金属元素可以实现对光响应;此外LDHs层板同时具有金属阳离子和羟基位点,可以同时吸附CO2与5-HMF并使它们活化。因此,本论文设计制备了ZnNiAl-LDHs光催化材料,实现了光驱动CO2还原与生物质氧化反应的耦合,并揭示了氧空位与金属空位两种缺陷结构在光催化耦合反应中的作用机制。首先,基于LDHs结构记忆效应,即LDHs材料在高温条件下失水转变为复合金属氧化物（MMO）材料,随后在Na2CO3水溶液中可复原成LDHs的特点,采用焙烧-复原法制备了具有光响应能力的ZnNiAl-LDHs催化剂。对比前驱体与复原后的ZnNiAl-X-R系列材料（X为焙烧温度,分别为200、300、400、450和500 oC）发现,尽管不同温度焙烧的MMO材料经历复原过程均可恢复层状结构,但复原前后金属元素有流失,且层板平均厚度和孔结构有所变化。此外,H2氛围的焙烧过程还使得氧空位缺陷结构被引入到催化剂表面,即在ZnNiAl-X-R表面同时具有两种缺陷结构,且在ZnNiAl-450-R样品中缺陷数量最多。选用300 W氙灯光源提供紫外-可见范围光,控制光照强度为550 m W/cm-2,对ZnNiAl-X-R催化剂进行4 h的性能评价,发现不同温度焙烧-复原的催化剂都能够实现CO2还原与5-HMF氧化的耦合。其中,ZnNiAl-450-R样品具有最高的催化性能（CO和5-甲酰基-2-呋喃甲酸FFCA的产量分别达到4.04和78.23μmol/g）。ZnNiAl-X-R在5轮重复性测试后仍可以保持90%以上的初始活性。结合PL光谱和电化学测试证实了催化剂表面的缺陷结构增强了催化剂的光电转换效率,进一步通过原位红外光谱证实缺陷结构的引入促进了CO2与5-HMF分子在催化剂表面的吸附与活化过程。为了进一步探讨氧空位与金属空位两种缺陷结构对反应性能的不同作用机制,选择450 oC焙烧所得MMO样品在强碱性溶液中进行复原,得到具有相同氧空位数量但金属空位数量不同的ZnNiAl-OH-Y光催化剂（Y为复原时长,分别为2、4和6 h）。ZnNiAl-OH-Y催化剂均具有良好的LDHs特征结构,证明在强碱性条件下复原过程的成功进行。通过ICP-AES、EPR和XPS表征结果表明,在强碱性溶液中进行复原时,随复原时间的增长,金属流失量显著增多,但氧空位数量没有明显区别。复原时间不同的三种催化剂均可实现光驱动CO2还原与5-HMF氧化的耦合,其中ZnNiAl-OH-4h具有最佳的催化活性（CO产量为4.01μmol/g,FFCA产量为261.15μmol/g）。结合反应性能、PL光谱和电化学测试结果,证实氧空位具有抑制光生电子-空穴复合和优化CO2活化过程的两方面促进作用,而金属空位促进了5-HMF的吸附与活化过程。