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基于半导体的光催化过程由于其具有价格低廉、环境友好的独特优势而被广泛认为是解决能源和环境问题的一种非常有前途的策略。目前,半导体光催化剂的表面修饰与改性、大比表面积纳米结构的制备以及半导体异质结的构建是提高半导体材料光催化性能的三个最基本的手段。本文以石墨相氮化碳(g-C3N4)为研究对象,采用染料敏化、热剥离、构建异质结等方法对g-C3N4进行改性、修饰,研发出具有优异性能的光催化材料,在光芬顿降解有机污染物,光催化固氮方面具有优异的性能。主要创新性研究结果如下:(1)针对g-C3N4光催化剂带隙较宽,对可见范围的太阳光谱响应有限的不足,我们利用3,4,9,10-茈酸酐、酞菁铜和钴绿三种染料单独或两两组合对g-C3N4进行了染料敏化。采用UV-VisDRS手段对敏化后的g-C3N4光吸收特性进行了表征。研究表明,在染料不发生分解的前提下,敏化温度越高,敏化效果越好。通过简单染料敏化拓宽了g-C3N4的光吸收范围至1000nm波长处,显著的提高了对光的利用效率。证实了通过染料敏化方法可以改变某些半导体光催化剂对可见光的响应范围,弥补宽带隙半导体材料在太阳能利用方面的不足,提高对太阳光的利用效率。(2)为了克服常规g-C3N4易团聚、表面活性位点暴露不充分的不足,本论文用g-C3N4进行H2SO4插层并热剥离得到二维纳米片组成的TE-g-C3N4。采用XRD,XPS,FTIR,SEM,BET,UV-Vis DRS和PL等手段对TE-g-C3N4进行表征。并将TE-g-C3N4结合光芬顿反应,评价其降解染料RhB的性能,同时分析了TE-g-C3N4的光电化学性能。研究表明,TE-g-C3N4的比表面积达59 n2g-1是g-C3N4的2.4倍,因此具有更多的活性位点。TE-g-C3N4作为光催化剂比g-C3N4显示出对RhB更优异的降解能力。RhB降解速率是g-C3N4的2倍,在加入Fe3+后降解速率进一步加快,并且TE-g-C3N4在5次循环使用后,光催化活性仍然保持了初始值的80%以上。特别需要说明的是,与常规光芬顿反应同时需要光照和H2O2不同,该反应体系在不需要加入H2O2的条件下表现出很高的光芬顿活性。机理研究表明TE-g-C3N4在光照条件下会原位产生H2O2,产生的H2O2与Fe3+结合可以构成光芬顿反应,使反应速率进一步加快。同时TE-g-C3N4也表现出了优异的光电催化性能,在外加偏压为0.4 V vs.Ag/AgCl时光电流密度是g-C3N4的2.3倍,达到4.3 μA/cm2,并且TE-g-C3N4在持续光照800 s后,光电流密度可以维持初始值的90%以上。(3)针对g-C3N4材料光生电子-空穴对易复合,导致电子迁移率较低的问题,本论文用简单的蒸发溶剂法制备出B4C/g-C3N4异质结(p-n结),采用XRD,FTIR,SEM,BET,UV-Vis DRS和PL手段对B4C/g-C3N4进行表征。并且将B4C/g-C3N4用于常温常压光催化固氮,评价其光催化固氮的性能,同时分析了B4C/g-C3N 的光电化学性能研究表明当B4C与g-C3N4的质量比为2:3时,制备出的B4C/g-C3N4异质结有最优的光催化固氮性能,NH4+产量可达到2378μmol/gh,是B4C的4.5倍,是g-C3N4的2.6倍,B4C/g-C3N4在5次循环使用后,NH4+产量可以维持在初始值的95%以上。B4C/g-C3N4也表现出了优异的光电催化性能,在外加偏压为0.4 V vs.Ag/AgCI时光电流密度达到7.5μA/cm2,是B4C的25倍,是g-C3N4的4倍,同时拥有更优异的稳定性。机理研究表明异质结的形成为光生载流子的传输提供了直接的路径,提高了迁移率,而且延长了光生电子的寿命。