21世纪面临的能源危机以及环境污染正一步步成为遏制社会可持续发展的两个重大问题,开发新能源以及有效治理污染已经成为广大研究者的共识。近年来,随着石墨烯的发现,逐步涌现的类石墨烯材料为研究光电催化分解水以及光电催化还原C02提供了良好的模型材料体系。人类不仅可以通过光电化学能源转换的方法获得干净清洁的能源,同时有望通过CO2的还原缓解全球变暖等问题。本论文通过构建理想的二维超薄材料模型体系,结合第一性原理计算缺陷工程、掺杂工程等对其电子结构的调控,利用超快时间分辨光谱等表征手段研究催化剂表面微结构对光生电子空穴对传输与分离的影响,进而揭示其结构与性能之间的关系。本论文的研究内容主要包括以下几个方面：1.近年来,有研究指出氧空位的存在能够通过降低带隙来增加太阳光的吸收,进而获得增强的光转化效率；但是,对于氧空位在光催化过程中原子尺度的作用还不是很清楚。这主要是因为缺乏理想的结构模型来论证氧空位与光催化活性之间的关系。因此,我们首次提出了三种理想的结构模型,即富／贫氧空位的超薄氧化铟多孔纳米片和贫氧空位的块材,用来研究氧空位与光催化作用之间的关系。首先通过一种介观组装的方法合成出有序的In-油酸根杂化结构,然后通过快速煅烧方法制备出了富／贫氧空位的5个原子层薄的氧化铟多孔纳米片。第一性原理计算和光吸收谱的实验结果显示氧空位的存在使超薄In203纳米片出现了新的缺陷能级以及明显增强的态密度,从而使其吸收边由紫外光区红移到可见光区域,同时增加了光生载流子的分离效率,进而获得高的可见光光转化效率。光电解水的实验结果表明富氧空位的超薄氧化铟多孔纳米片光电极表现出1.73mA/cm2的可见光光电流,比贫氧空位的超薄氧化铟多孔纳米片和贫氧空位的块材光电极分别高出2.5倍和15倍,充分证实了局限在超薄纳米片中的氧空位对光催化作用的影响,为研究原子级尺度下功能材料的光电性能提供一种有益的指导。2.有报道证实掺杂的过渡金属离子可以有效捕获光催化剂中的光生电子或者空穴,从而提高电子-空穴分离效率；然而,也有报道显示掺杂的离子也可作为电子-空穴的复合中心而导致光催化效率的降低。导致这种矛盾的结果可能是以前制备的光催化剂中,掺杂元素往往位于催化剂的内部而非表面；这种情况下,掺杂元素很难充分参与到催化反应之中,进而很难起到应有的作用。针对上述挑战,我们首次提出了三种理想的结构模型即掺杂的原子级厚二维片,原子级厚二维片以及块材,用来研究原子级尺度下元素的掺杂与光催化作用之间的关系。以In2S3为例,我们通过一种介观组装的方法制备出层状的In(Co)-油酸根杂化结构中间体,进而合成出了钴掺杂的三原子层厚硫化铟二维片和纯三原子层厚硫化铟二维片。第一性原理计算显示Co元素的引入可以使电子更容易激发到导带从而提高载流子的密度,这为光解水提供了良好的条件。超快光谱结果显示Co掺杂三原子层厚硫化铟二维片电子空穴复合时间大约是360 ps,高出纯三原子层厚硫化铟二维片25倍之多,说明钴掺杂之后提高了硫化铟纳米片的电子空穴分离效率从而提高光电催化性能。光电解水的实验结果表明钴掺杂三原子层厚硫化铟二维片光电极表现出1.17 mA/cm2的可见光光电流,比纯三原子层厚硫化铟二维片和块材光电极分别高出10倍和17倍之多,充分证实了掺杂元素对光催化作用的影响,为研究原子级尺度下掺杂功能材料的光电性能提供一种有益的指导。3.有研究证明金属超薄纳米片具有良好的电催化还原C02的活性：然而,对于某些化学活性过高的金属,当表面裸露的原子比例过高时,它在空气中将会发生不可控的氧化,而表面氧化物的存在将会严重影响其催化性能。基于此,我们首次提出了一种理想的结构模型也即是局限在石墨烯壳层中的金属超薄量子片。以高活性金属Sn为例,我们通过一种空间限域的还原方法成功合成出了局限在石墨烯隔层中的金属Sn超薄量子片。通过X射线精细结构谱的表征可知,得益于石墨烯的保护,所合成的局限在石墨烯夹层中的金属Sn超薄量子片中没有出现氧化态的Sn,且它的配位数相比块材而言从2和4分别减小为1.4和2.7,这种低配位的Sn原子使金属Sn超薄量子片能更有效地稳定CO2·-中间体。最终,局限在石墨烯隔层中的金属Sn超薄量子片表现出21.1 mA cm-2的电流密度,比混合石墨烯与15 nmSn纳米颗粒、15nmSn颗粒以及块材分别高出2倍、2.5倍以及13倍之多。此外,局限在石墨烯夹层中的金属Sn超薄量子片能在50 h之内保持高达85%的法拉第效率。这为设计高效的电化学还原CO2催化剂提供了新思路。