经济社会快速发展离不开能源的大量消耗,但化石能源仍在目前能源结构中占主导地位。化石能源需要在严苛的条件中历经千万年才能形成,消耗后短时间内难以恢复,而且化石能源的快速消耗带来了严峻的环境问题。太阳能作为地球上能源的重要形式,如何将其高效转化为高品质、可使用的能源是目前面临的主要挑战之一。光催化技术是以半导体光催化剂为媒介,将太阳能转化为化学能或用以驱动需消耗能量的化学反应过程的新兴技术,如光催化CO2还原、光解水制氢、光催化污染物降解等,具有广阔的应用前景。石墨相氮化碳（g-C3N4）是由非金属元素组成的聚合物半导体材料,具有制备方法简单、带隙结构合理、可见光响应、化学结构稳定等优势,但通过直接热缩合富氮前驱体的传统合成方法制备g-C3N4往往导致其比表面积和活性位点不足、微观结构得不到有效调控、光生电荷载流子复合严重等问题,极大地制约了g-C3N4基光催化剂的性能提升与应用范围。本文通过前驱体设计、元素掺杂、形貌控制、缺陷构造和助催化剂负载等方法,对g-C3N4的微观形貌、带隙结构、光生电荷分离等性质进行调控,并考察催化剂结构对光催化反应性能影响机制,为g-C3N4基半导体光催化剂的构建提供新的策略和方法。主要研究内容如下:（1）助催化剂负载能够显著降低光化学反应过程所需的过电位,推动反应快速进行。但在构建助催化剂和g-C3N4的复合体系时,由于传统同方法制备的g-C3N4比表面积和成核位点不足,导致助催化剂团聚现象严重,两者之间缺乏相互作用,造成助催化剂在使用过程中的流失。针对这一问题,本文采用三聚氰胺–三聚硫氰酸超分子模板制备了具有规则形貌和高比表面积的硫掺杂g-C3N4微管（SCN）光催化剂,并在其表面沉积多硫化钴（Co Sx）纳米颗粒,首次构造出助催化剂高度分散的Co Sx/SCN微管复合光催化剂。通过表征探索了Co Sx在SCN微管上的负载状态,高比表面积的SCN微管提供丰富的成核位点,促进Co Sx以高分散和超小尺寸纳米颗粒的形式锚定在光催化剂表面。同时,硫掺杂能够缩小SCN的带隙宽度,增加对可见光的利用区间。将Co Sx/SCN复合物光催化剂用于光催化产氢和四环素（TC）降解研究,考察其光催化性能。结果表明,Co Sx/SCN复合物能够获得显著提升的光催化性能。其中,光催化产氢速率最高可达573μmol·g-1·h-1,在75 min内四环素的降解率为75.3%,光催化性能增强来源于SCN优异的结构特性、高分散Co Sx纳米颗粒对光生电荷的分离作用及其作为活性位点降低反应过程的过电势。（2）虽然上述复合物光催化剂获得显著提升的光催化效率,但是SCN本身的硫掺杂量较低,对带隙结构的影响有限;活性位点数量不足,光化学反应动力学较为缓慢。二元共掺杂能够进一步对g-C3N4的带隙结构和光催化剂内部的光生电荷载流子行为进行调控,从而达到拓宽光响应区间和加快电荷传输的目标。为此,论文在第二章所制备的SCN光催化剂的基础上,通过对超分子前驱体的结构进行调整并引入额外的碳源,构造硫、碳共掺杂g-C3N4微管（SCCN）催化剂,并对其形貌、结构及元素组成、光化学性质等进行表征和分析。研究发现增加超分子前驱体的尺寸会导致在g-C3N4微管内部填充大量的纳米片结构,并形成空腔和孔道。碳元素掺杂的同时会增加g-C3N4结构的扭曲度并提高硫元素的掺杂量,从而显著地影响到g-C3N4的带隙结构和光吸收性质。硫、碳共掺杂提高了光生电荷的分离效率,延长了电荷载流子的寿命。得益于以上优势,所制备的SCCN光催化剂具有较好的光催化性能,其中0.10SCCN光催化产氢速率增加到4868μmol·g-1·h-1;该催化剂还对四环素的光催化降解表现出较好的效果,75 min内的降解率可达83.8%,反应动力学为硫掺杂SCN的3.4倍。（3）分级结构的光催化剂能够提供高比表面积,介孔传质通道并提高入射光的吸收和利用。碳缺陷在光催化过程中不仅起到分离光生电荷载流子的作用,而且可作为活性位点,增强对反应物分子的吸附和活化作用。将碳缺陷和分级结构相结合可赋予g-C3N4在高效光催化过程中的众多优势。论文研究发现以三聚氰胺和盐酸羟胺复合物为模板,成功构建了碳缺陷修饰分级g-C3N4微棒（CNx）光催化剂。催化剂的表征结果表明,煅烧过程保留了复合物模板的外观轮廓,但内部结构是由相互交联的g-C3N4薄层纳米片组成,形成了大量的孔道和空腔。由于CNx独特的分级结构和碳缺陷的引入,其光生电荷的传输和分离效率明显提升。光催化性能测试表明,相比于体相g-C3N4（BCN）,CNx的光催化活性大幅提升。其中,最佳的CN1.5光催化产氢速率提升了17倍,为2619μmol·g-1·h-1。而且,该催化剂对四环素降解也具有较好的催化活性。四环素在75 min内的降解率为87.9%,TOC矿化率达到42.3%。对中间产物的毒性分析表明,经过降解后,产物的毒性明显下降。（4）一般认为g-C3N4的活性位点主要是位于层状结构的边缘,二维超薄g-C3N4纳米片能够提供更多暴露的边缘活性位点并缩短光生电荷载流子传输距离,但量子限域效应的存在会导致其对可见光的利用受限。由于g-C3N4的带隙是由碳、氮元素的分子轨道所组成的,氮缺陷能够显著地影响g-C3N4的带隙结构。因此,本论文对g-C3N4热缩合过程中的中间体蜜勒胺（melem）的结构和组成进行重构,成功将氮缺陷引入超薄g-C3N4纳米片中,制备出氮缺陷修饰超薄g-C3N4纳米片（DCNS）光催化剂。超薄氮化碳纳米片不仅达到3～5个原子层厚度,且尺寸较小,具有碎裂特性。研究表明,溶剂热过程对于同时实现氮缺陷和超薄纳米片结构起着关键的作用,碎裂的超薄纳米片结构暴露出更多活性位点。光催化剂的光吸收性质分析表明,氮缺陷不仅可以缩小带隙宽度,还在禁带中形成了一个间隙态能级,既克服了量子限域效应带来的带隙拓宽问题,而且还拓展了可见光吸收范围。另外,光电化学测试结果证明氮缺陷和超薄纳米片结构可促进光生电荷的分离,氮缺陷对于载流子的俘获作用提高了光生电荷分离效率。因此,通过优化溶剂热处理温度,得到最佳的DCNS-120光催化剂的产氢速率达到5375μmol·g-1·h-1,较BCN和CNS提升了33倍和4倍。本论文将g-C3N4的形貌调控与助催化剂负载、元素掺杂、缺陷构造等改进策略相结合,在光催化剂上引入活性位点,拓宽可见光响应区间,增强光生电荷分离效率,从而获得产氢和降解性能优异的g-C3N4基半导体光催化剂,不仅为后续g-C3N4光催化剂的结构设计与可控合成提供了新的研究思路,而且为太阳能高效转化利用与消除环境污染物奠定了重要的研究基础。