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催化科学被认为是固体表面物理和化学科学的重要分支,针对固体表面科学的基础研究已经为工业催化剂的理性设计提供了坚实的理论依据和启发性的思路。但越来越多的研究表明固-固界面同样对催化反应的活性和选择性存在巨大的影响。例如,固-固界面附近电荷重排、空间电荷转移和晶格紊乱,会使两种杂化固体物种的电性质和能带结构发生巨大的变化,从而深刻地影响催化剂性能。本文将利用固-固界面电子转移原理,以电子离域能力较强的窄禁带半导体石墨相氮化碳(g-C3N4)为主要研究对象,理性设计基于g-C3N4的光催化剂和多相催化剂,获得高效的光催化环境治理光催化剂和高活性高选择性异戊二烯加氢反应催化剂。论文内容主要包括:1.首次使用低共融溶剂作为g-C3N4前驱体,利用尿素-硫氰酸按分子间氢键网络组装,制备了自杂合的空心双层g-C3N4/g-C3N4纳米笼。该外层为高聚合度g-C3N4,内层为低聚合度g-C3N4的纳米笼壁内,因半导体-半导体空间电荷转移产生了固体内电场,它推动了光生电子-空穴分别向纳米笼两侧的定向输运,从而有效地避免了光生载流子的复合湮灭。获得的CN2U1AT光催化剂展现出超高的罗丹明B可见光降解和可见光裂解水产氢活性。我们通过设计薄层、高界面接触面积杂合光催化剂,构建了高效稳定的固体内电场,丰富了光催化剂构效关系内涵,为更多基于固体内电场的光催化剂设计提供了思路。2.利用尿素-硫脲的分子间氢键,制备了高比表面积的介孔空心海胆状硫掺杂石墨相氮化碳(MSCN)催化剂载体。通过反Ostwald熟化机制将单原子Ni嵌入MSCN载体的六重孔腔内,与S原子形成隔离,制备了单位点Ni催化剂。利用杂质S的孤电子与g-C3N4形成的p-7π共轭电子转移,调变了孤立Ni原子的电子性质,从而精准调节了Ni上异戊二烯加氢反应的单烯选择性。制备的Ni/MSCN-4催化剂在95%单烯选择性下,加氢速率达到了460 mL·gNi-1·h-1,为相同选择性下,工业镍系加氢催化剂的65.2倍。通过研究载体中硫杂质原子对加氢催化反应的贡献,我们发展了载体杂原子远程催化反应控制理论,并提出具有更高普适性的异相电子相互作用理论(EHI),这一理论将为高效工业催化剂的设计提供思路。