随着科技进步、经济的高速发展,全球性的能源短缺和环境污染等问题也越来越严峻。以半导体为核心的光催化技术可以有效将太阳能转化为化学能,是一种比较理想的治理污染及能源利用策略。如何利用太阳能的关键是设计合成高效的光催化剂。通常人们将贵金属沉积在催化剂表面来提高光催化剂的活性,但由于贵金属价格昂贵在一定程度上限制了光催化剂的大规模应用。本论文以廉价的过渡金属Fe和Zn O修饰碳材料,从合成策略、电子结构、催化作用机理等角度,探讨了其对光催化性能的影响。所涉及的Fe元素掺杂都以单原子形态存在,通过一系列表征手段,深入揭示了催化剂的电子结构和微观结构,并探讨了Fe-Nx活性中心对光氧化性能的影响。采用一步法原位合成了Zn O/C3N4半导体异质结结构,探讨了异质结对电荷转移的机理及光催化降解性能的影响。其研究内容及相关成果总结如下:通过NH4Cl盐辅助诱导高温固相合成策略,在惰性气氛中高温热解,成功制备了Fe-N-C单原子催化剂。考察了NH4Cl的引入量和煅烧温度对催化剂特性的影响。研究发现,随着NH4Cl含量的升高,催化剂的光氧化性能不断提高。这是由于NH4Cl在高温热解过程中释放HCl和NH3气体,不仅起到了造孔作用还提供了额外的氮源。通过X射线光电子能谱（XPS）、X射线吸收精细结构（EXAFS）和光氧化1,5-二羟基萘的实验表明,不同煅烧温度对材料的配位结构有明显影响,900°C时更有利于Fe-Nx的形成,Fe-Nx配位结构的单原子催化剂含量越高越有利于产生单线态氧的产生,进而提升催化剂的光氧化性能。为进一步探究不同载体对金属单原子催化剂光催化活性的影响。通过一步热解法将Fe金属原子有效嵌入到氮化碳三嗪骨架中,合成了氮化碳基铁单原子催化剂。考察了不同Fe的掺杂量对催化活性的影响。经红外光谱（FI-IR）、XPS、EXAFS等表征手段表明,Fe的掺杂对氮化碳骨架上CN杂环结构有一定影响,Fe的空轨道会与N原子中孤对电子配位形成Fe-Nx键,适量Fe的掺杂能有效产生~1O2,显著提升光氧化1,5-二羟基萘的性能,胡桃醌产率达63.4%。相比于上一章所形成的铁单原子催化剂,由于氮化碳比炭黑具有更高的吸收可见光能力,使催化活性提升了2.2倍,证实了同一金属单原子催化剂的载体不同对催化剂活性有显著的影响。为设计合成高效的光催化剂,以醋酸锌和三聚氰胺为原料,通过一步热解法合成了Zn O/C3N4复合材料。考察了醋酸锌的引入量对催化剂特性的影响。研究发现,适量醋酸锌的加入可以有效降低材料的禁带宽度,拓宽了其对可见光的响应范围。通过一荧光、光电流和电化学阻抗等表征手段,证明了Zn O/C3N4复合材料可以有效促进了光生电子和空穴的分离,产生了大量的超氧负离子和空穴。在光催化降解四环素（TC）方面显示出优异的降解能力。仅30 min四环素的降解效果达83.3%,相比于纯g-C3N4,降解效果提升了5.5倍。