传统的经济发展模式,一方面推进了现代社会的高速发展和工业化水平,给人类生活带来了极大便利,而另一方面也加剧了人与自然之间的矛盾,导致了能源危机与环境污染两个巨大的全球性挑战。目前深入推进的新型可持续发展战略,迫切呼唤可再生能源技术的支撑。其中以太阳能为能量来源的光催化技术正在成为理想的能源产出和环境治理的新方案,也是国际上的热点研究方向。该技术已经广泛应用于光分解水产H2、降解污染物以及杀菌消毒等方向,具有经济、安全和环保等独特优势。但到目前为止,具有光催化活性的材料对太阳能利用率低这一限制性因素仍然没有得到彻底的解决。因此,发展新型的具有高效可见光催化效率和低成本的光催化剂是现阶段光催化研究中的关键步骤。有机聚合物半导体石墨相氮化碳（g-C₃N₄）,因其具有独特的二维层状结构、高稳定性和可见光区响应等特性,是目前最受关注的光催化剂之一。然而,纯g-C₃N₄也存在光吸收范围窄,光生载流子复合率高、迁移率低等缺点,从而限制了其在光催化领域的应用范围。本文针对g-C₃N₄以上三点不足,以提高g-C₃N₄基光催化剂的光催化活性为目的,采用元素掺杂和构筑异质结等方案,对g-C₃N₄基光催化剂的光吸收范围、载流子分离能力和迁移率等特性进行优化。此外,鉴于光催化反应进程大多发生在半导体的表面或者半导体异质结的界面,表面与界面电荷的分布、转移方向和聚积能级共同决定了光催化剂的效率、性能与应用,而这也是目前常规实验手段难以观测的微观信息。因此,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了光催化剂的晶体结构与电子结构,并从原子尺度描述材料中载流子的迁移方向和能带边缘电位,推测光生电子与空穴在光催化进程中发生的氧化还原反应。结合实验手段验证了这些设计在提升g-C₃N₄基光催化剂性能的可行性。理论计算结合实验现象从深层次理解光催化反应机理和光催化效率提升的机制是本文工作的特色之一,本论文的研究内容主要包括以下四个部分:（1）选取含S元素的碳氮聚合物硫脲作为前驱物,采用高温煅烧法在g-C₃N₄的平面结构中引入S元素合成无金属光催化剂S-C₃N₄。基于对罗丹明（RhB）和Cr⁶⁺的光降解能力测试分别评估了g-C₃N₄和S-C₃N₄样品的光催化活性。光电特性表征分析结果表明S元素掺杂拓宽了g-C₃N₄在可见光区的吸收范围,并同时增强了光生载流子的迁移率与分离能力。同时,采用第一性原理计算了S-C₃N₄的晶体结构、能带结构、功函数以及能带边缘电位等信息。结合计算与实验结果系统地分析了S-C₃N₄中的光催化反应机理,有助于为设计性能更优异的g-C₃N₄基光催化剂材料提供参考。（2）从能带调控角度出发,设计Ti元素插层式的Ti/C₃N₄光催化剂。第一性原理计算结果确认了Ti元素的掺杂位置,发现了掺杂位置对g-C₃N₄中载流子迁移方式的改变,预测了Ti/C₃N₄间的强相互作用既会提升光吸收性能,同时也会抑制光生电子-空穴对的复合,体现了这种结构的良好光催化潜力。随后,实验上采用前驱体重整策略,通过钛酸四丁酯预处理三聚氰胺,成功制备这种Ti/C₃N₄。采用光降解RhB有机染料实验评估样品的光催化活性,结果表明掺杂后样品的光降解能力得到提升,稳定性良好,且不同的掺杂浓度会影响掺杂体系的光催化活性。进一步结合能带边缘电位的变化与光催化捕获实验的结果解释了掺杂浓度对光催化效率的影响,并分析了光催化反应机理,相关研究结果证明该体系在光降解领域具有广阔的应用前景。（3）选取具有可见-近红外光区响应的黑磷（BP）作为研究对象,采用构建二维异质结的策略,研究了单层BP与g-C₃N₄形成“互补”的高载流子迁移率和可见光利用率的光催化剂C₃N₄/BP。利用杂化泛函方法对C₃N₄/BP异质结的电子结构和光学性质进行计算,结果显示C₃N₄/BP异质结是典型的Ⅰ型异质结,异质结界面处形成了gC₃N₄指向BP的内建电场与并发生能带弯曲,半导体之间的强相互作用增强了异质结的光吸收能力。异质结的形成对于g-C₃N₄组分完成了光生载流子在空间上的分离,对于BP组分增强了CB边缘电位的还原能力,使其更适用于析氢反应中。因此,二维C₃N₄/BP异质结相比于纯g-C₃N₄或者BP具有更强的光分解水产H2能力,光催化性能得到显著增强,有潜力成为性能优越的无金属光催化剂。（4）利用煅烧-水热两步法制备了C₃N₄/BiOCl异质结,通过异质结的界面强相互作用和匹配的能带边缘电位完成界面电荷的高效分离与转移,同时提高RhB的光降解效率和光解水制H₂效率。通过形貌结构和光电特性的表征手段研究了异质结的堆叠方式、光吸收性质和载流子传输能力。结合第一性原理计算研究了异质结内部的电荷转移和内建电场方向,定量地计算了半导体的能带排列结构和能带边缘电位变化。此外,对比反应自由基捕获实验结果,研究了C₃N₄/BiOCl异质结的光催化反应机理,为异质结光催化剂的设计及性能优化提供了新思路。