能源短缺和环境问题已经成为了制约着人类发展至关重要的恶性问题,严重威胁着人类的生存和活动。因此,为了人类的可持续发展,我们迫切地需要寻求廉价安全、清洁可再生的方式实现碳源的循环再利用。光催化CO₂还原是解决能源危机和实现全球碳循环的最有希望的战略之一。二维多孔非金属材料具有廉价、高稳定性、高比表面积、电子-空穴对分离迅速等诸多优点,被广泛地应用于光催化CO₂还原。而且此类材料的性质易于通过形貌调控、外加电场、元素掺杂、异质结构和金属负载等策略进行改性,从而为光催化CO₂还原提供了新的机遇。本文设计、制备了多种性能优良的光催化材料,并将其应用于CO₂还原。主要的研究内容如下:1.目前制约着光催化CO₂还原一大因素是电子-空穴对（e^--h⁺）的快速自复合,以及高昂的催化剂价格。针对此问题,我们首次将具有氧化能力的多金属氧酸盐（Co4）负载到廉价g-C₃N₄中,得到具有能带交错且匹配的复合材料（Co4@g-C₃N₄）。这种复合材料有着比纯g-C₃N₄更优异的CO₂还原活性。机理研究表明,Co4的掺杂不仅提高了g-C₃N₄的电荷转移,而且明显增强了催化剂表面的氧化能力,有效的降低了e^--h⁺的自复合,为设计光催化CO₂还原的低成本光催化材料提供了新的思路和见解。2.在降低了e^--h⁺自复合的基础上,对于光催化CO₂还原的氧化还原反应,研究人员大都只关心还原而不讨论氧化半反应,更鲜有工作将两者结合起来。针对此问题,我们制备了一种三组分光催化剂,此催化剂可以通过两电子/两步途径将CO₂还原与水氧化相结合,实现了人工光合作用。以聚氧钛[Ti₁₇O₂₄（OPri）₂₀]为钛源,制备了具有超薄碳层包裹的超小型C-TiO_2-x纳米颗粒,并通过化学键负载于g-C₃N₄上,形成复合材料C-TiO_2-x@g-C₃N₄。此光催化剂在可见光照射下显示出很高的活性,甚至在相同条件下达到了迄今为止TiO₂基催化剂的峰值。此光催化剂对光子,H质子和CO₂分子的出色吸附能力,有效的电荷分离以及两电子/两步氧化途径,提高了催化剂的高反应活性。3.在降低了e^--h⁺自复合以及将还原氧化相结合的基础上,目前的光催化CO₂还原系统大都发生在纯CO₂氛围中且对工业废气没有良好的抗毒化作用,而且对于电子转移、牺牲剂的额外作用以及光催化CO₂还原的机理尚不明确。针对此问题,我们设计和制备了以席夫碱共价有机骨架（COF）为光吸收中心和g-C₃N₄为还原位点的非金属C₃N₄-COF复合光催化剂。该复合材料具有增强可见光吸收,促进光诱导电荷分离和加速电子转移的能力。材料以模拟工业烟气为原料,得到高产量的合成气（H₂+CO₂）并且显示出了良好的抗毒化能力。实验和计算结果表明,电子转移的途径是从COF到g-C₃N₄的,并且TEOA和COF上腙键之间的CO₂浓度切换作用,导致了光吸收扩展到红光和近红外区域,提高了催化剂的活性。这项工作不仅为在烟道气下制备合成气提供了一种高效耐用的光催化剂,还通过控制催化剂-液体界面为设计高效催化剂提供了新的方案和观点。4.目前光催化CO₂还原领域的还原位点、机理以及还原路径尚不明确,并且对于CO₂以及H⁺的吸附顺序和位点需要深入探究。针对此问题,我们设计并且制备了一种全新的具有三嗪环与C=C双键协同作用的席夫碱类COF材料。这种COF可以在不添加助催化剂的条件下可以直接进行光催化CO₂还原为CO,选择性接近100%（99.9%）。量化计算结果给出了可能的反应机理和催化路径,并得出以下结论:在COF上首先吸附的不是CO₂,而是H⁺;还原反应的发生是因为COF分子内部的三嗪环与C=C双键之间的协同作用。这个工作不仅制备出一种全新的非金属COF材料用于光催化CO₂还原,同时还通过量子化学计算为COF材料的光催化CO₂还原的还原机理和还原位点提供了新的思路。