近些年来,由于人类对化石燃料的过度开发和使用,当今社会面临着严峻的能源与环境危机。因此,我们亟需开发新型的环境友好型能源以实现社会的可持续发展。在能源转换领域中,半导体光催化反应能直接将太阳能转化为清洁的化学能源,它被认为是一种解决环境污染与能源危机的有效途径。基于此,如何提升半导体材料的光催化效率成为该研究领域的热点问题。近年来发展起来的超薄二维纳米材料因其独特的电子与结构优势受到了研究者的广泛关注,为实现高效的光催化反应带来了巨大契机。本论文旨在以超薄二维纳米材料为基础建立研究模型,通过调控材料的电子结构和分析光催化反应中的关键影响因素,设计和开发具有高效光催化性能的半导体材料,为它们在能源转换领域的实际应用开辟了道路。本论文的主要内容包括以下几个方面:1.元素掺杂是一种修饰材料电子结构并提高光催化性能的有效途径。虽然最近有很多关于元素掺杂的报道,但掺杂原子在光催化过程中所扮演的角色并不清楚,在很大程度上限制了元素掺杂的进一步发展。为此,我们首次合成了具有超薄结构的氧掺杂-ZnIn2S₄纳米片光催化剂,并将其作为原型材料建立结构与性能之间的关系,研究掺杂原子在光催化过程中的重要作用。在本章工作中,我们首先建立了 DFT模型来研究掺杂剂对催化剂电子结构的影响,理论计算表明氧掺杂能明显增加ZnIn2S₄纳米片价带顶附近的电荷密度,这一特征有利于产生更多的电荷直接参加反应,提高光催化产氢的能力。通过超快光谱测试我们进一步发现,氧掺杂可以有效地提高催化中光生电子与空穴的分离效率,其光生载流子的平均寿命提高了 1.53倍。光催化测试结果表明,氧掺杂的超薄ZnIn2S₄纳米片具有比未掺杂样品更高的光催化产氢活性,其产氢速率达到2120 μmol·h^-1·g^-1,为后者的4.5倍。2.在本章工作中,我们提出了一种Ag纳米颗粒负载的方法来促进光生电荷转移,并以Ag-K₄Nb₆O₁₇杂化体系为催化模型深入理解Ag纳米颗粒在光催化反应中的重要作用。超快吸收光谱证明Ag纳米颗粒能捕获光生电子,提高光生载流子的迁移速率,促进光催化体系中光生电子与空穴的有效分离。光催化性能测试表明,Ag纳米颗粒的负载能显著提高超薄K₄Nb₆O₁₇纳米片的光催化活性,其模拟太阳光照射下的产氢速率相对于单一的K₄Nb₆O₁₇纳米片提升了近20倍;可见光照射下的光催化产氢测试证明,Ag-K₄Nb₆O₁₇复合体系中不存在由Ag纳米颗粒向超薄K₄Nb₆O₁₇纳米片的热电子注入。进一步的光催化对比实验显示,杂化体系能大幅提高产氢活性的主要因素不仅仅是Ag纳米颗粒能促进体系中电荷迁移,也包括Ag纳米颗粒自身的表面等离子效应所带来的附加电磁场。本章工作不仅为高效光催化剂的合成提供了一种简单可靠的途径,也为理解贵金属在光催化反应中的重要作用提供了新思路。3.结构扭曲能显著地改变半导体材料的电子结构,引起光催化材料光吸收和能带结构的调整,从而影响其光催化性能。本章工作中,我们提出了一种快速加热的方法成功地在g-C₃N₄样品中引入结构扭曲,此方法相对于传统的热处理法更加简单、快速。X射线吸收精细谱测试表明,改变快速加热的温度可以有效调节样品中结构扭曲的程度,并且随温度提升其扭曲程度逐渐增加。电子顺磁共振谱表明,结构扭曲的引入能引起g-C₃N₄样品的电子重排,这一点能有效降低g-C₃N₄样品的带隙宽度,拓宽光吸收范围。光催化产氢测试表明,结构扭曲的引入能显著提高g-C₃N₄的光催化活性,在太阳光照射下,g-C₃N₄-700样品的产氢速率可达255.0μmol·h^-1,其性能相对于原始g-C₃N₄样品提升了 3倍。此外,由于具有合适的光吸收和能带结构排列,g-C₃N₄-700样品显示出最高的产氢活性,表明适度的结构扭曲对实现光催化性能的最优化非常重要。本工作不仅为理解结构扭曲在光催化反应中的作用建立了定量关系,也为提高材料的光催化活性提供了一条简单、可行的有效途径。