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近年来，人类在享受工业发展与社会进步给生活带来便利的同时，人类的活动也严重危害了可持续发展的战略，因此对可持续和环境友好型能源资源的积极探索是缓解能源资源压力的一个重要举措。氢气作为一种清洁能源，与其他能源相比，不仅在制取阶段体现环保，而且在利用的过程中也是与可持续发展的战略相符，从而在可再生能源生产和环境问题方面具有巨大的潜力。值得注意的是，在可见光照射下将水裂解出氢气的反应在充分利用丰富的太阳能方面起着关键作用。
半导体光催化剂已成为光催化还原氢气的一种有发展潜力的材料，在可见光的照射下来自半导体价带的电子可以跃迁到导带，从而获得更多可以参与光催化析氢还原反应的电子。迄今为止，大部分光催化剂难以实现对可见光光子能量的充分利用，且其导带和价带电位难以同时符合光催化体系电位的要求，因此寻找开发一些新型的可用于光催化析氢还原反应的材料迫在眉睫。
自1989年，氮化碳（C3N4）被发现且通过理论证实了g-C3N4的存在。g-C3N4是一种有三嗪环的片层状结构，其能带特征脱颖而出，即 g-C3N4的价带和导带可同时满足氧化和还原水制取氢气的电位要求。此外，优异的化学稳定性以也是其突出优势。然而，对可见光吸收效率低、比表面积小、光生电子空穴对的分离率低等固有缺陷限制了其进一步发展。为此，本文利用三聚氰胺、三聚氰酸之间的超分子自组装效应合成出具有大比表面积的中空球状g-C3N4结构，通过贵金属沉积、半导体复合等修饰方式，实现了对 g-C3N4比表面积、可见光吸收以及光催化析氢性能等方面的改善。具体工作内容如下：
（1）高度分散的Pd纳米颗粒修饰具有大比表面积的中空球形g-C3N4用于光催化析氢
利用三聚氰胺、三聚氰酸在二甲亚砜（DMSO）溶剂中的超分子自主装效应，形成具有紧密片层状的实心球形状的超分子前驱体CM, 经过一步热解法在氮气气氛中合成具有大的比表面积和高孔隙率的3D中空球状结构的氮化碳（SCN）。所制备的中空球状结构可用作均匀分散Pd纳米颗粒的基底材料，一方面可以提高催化剂的可见光利用效率，另一方面可以为氢气的还原暴露更多的活性位点。Pd 纳米颗粒作为电子受体被植入 SCN 中，因此可以提高光生电子的捕获能力，光生电子聚集在Pd纳米颗粒的表面使得更多的光生电子能够参与反应。为了更直观地展示光生载流子的分离和传递，我们采用瞬态吸收光谱法从动力学角度估算出Pd/SCN（10 h）的电荷分离寿命估计为1.4 ns ±338.0 ps，仅为SCN的一半。缩短的电荷分离寿命表明氮化碳导带上的光生电子可以更快速地转移Pd纳米颗粒表面。到得益于其独特的结构和优异的光学性能，Pd/SCN复合光材料在可见光照射下表现出显著增强的光催化析氢性能。尤其是，Pd/SCN（10 h）的光催化析氢速率达到了267.9 μmol/h，几乎是Pd/2D g-C3N4的10倍。同时，根据表征结果，提出了光催化水产生氢气反应的可能机理。
（2）一步煅烧法制备CoO QDs/g-C3N4异质结用于光催化析氢
采用一步煅烧法制备了中空球状g-C3N4(SCNO)/CoO的异质结，显著增强了其光催化析氢气反应性能。借助三聚氰胺、三聚氰酸的超分子自组装合成超分子前驱体，通过在不同煅烧气氛下（氮气、空气）合成的大比表面积中空球状氮化碳结构（SCNN、SCNO）为锚定CoO 量子点提供了充分条件。同时，SCNO/CoO异质结的形成不仅提高了对可见光的吸收效率，而且还加速了光生电子-空穴对的分离和转移速率。以光催化析氢气反应为探针，测得SCNO/CoO（0.2）具有最高的光催化析氢活性达到11495μmol/h/g。此外，我们采取了瞬态吸收光谱深入研究了光生载流子的转移路径，结果表明，SCNO/CoO（0.2）的电荷分离寿命为29.61±0.43 ps，其中包括从CoO 量子点导带转移到SCNO导带的光生电子的寿命，证明了SCNO/CoO 之间形成的异质结能够使得SCNO/CoO复合材料的光催化活性显著增强。结合XRD，XPS，UV-vis，EIS, BET等分析结果，提出了一种可能的光催化制氢机理。
半导体光催化剂已成为光催化还原氢气的一种有发展潜力的材料，在可见光的照射下来自半导体价带的电子可以跃迁到导带，从而获得更多可以参与光催化析氢还原反应的电子。迄今为止，大部分光催化剂难以实现对可见光光子能量的充分利用，且其导带和价带电位难以同时符合光催化体系电位的要求，因此寻找开发一些新型的可用于光催化析氢还原反应的材料迫在眉睫。
自1989年，氮化碳（C3N4）被发现且通过理论证实了g-C3N4的存在。g-C3N4是一种有三嗪环的片层状结构，其能带特征脱颖而出，即 g-C3N4的价带和导带可同时满足氧化和还原水制取氢气的电位要求。此外，优异的化学稳定性以也是其突出优势。然而，对可见光吸收效率低、比表面积小、光生电子空穴对的分离率低等固有缺陷限制了其进一步发展。为此，本文利用三聚氰胺、三聚氰酸之间的超分子自组装效应合成出具有大比表面积的中空球状g-C3N4结构，通过贵金属沉积、半导体复合等修饰方式，实现了对 g-C3N4比表面积、可见光吸收以及光催化析氢性能等方面的改善。具体工作内容如下：
（1）高度分散的Pd纳米颗粒修饰具有大比表面积的中空球形g-C3N4用于光催化析氢
利用三聚氰胺、三聚氰酸在二甲亚砜（DMSO）溶剂中的超分子自主装效应，形成具有紧密片层状的实心球形状的超分子前驱体CM, 经过一步热解法在氮气气氛中合成具有大的比表面积和高孔隙率的3D中空球状结构的氮化碳（SCN）。所制备的中空球状结构可用作均匀分散Pd纳米颗粒的基底材料，一方面可以提高催化剂的可见光利用效率，另一方面可以为氢气的还原暴露更多的活性位点。Pd 纳米颗粒作为电子受体被植入 SCN 中，因此可以提高光生电子的捕获能力，光生电子聚集在Pd纳米颗粒的表面使得更多的光生电子能够参与反应。为了更直观地展示光生载流子的分离和传递，我们采用瞬态吸收光谱法从动力学角度估算出Pd/SCN（10 h）的电荷分离寿命估计为1.4 ns ±338.0 ps，仅为SCN的一半。缩短的电荷分离寿命表明氮化碳导带上的光生电子可以更快速地转移Pd纳米颗粒表面。到得益于其独特的结构和优异的光学性能，Pd/SCN复合光材料在可见光照射下表现出显著增强的光催化析氢性能。尤其是，Pd/SCN（10 h）的光催化析氢速率达到了267.9 μmol/h，几乎是Pd/2D g-C3N4的10倍。同时，根据表征结果，提出了光催化水产生氢气反应的可能机理。
（2）一步煅烧法制备CoO QDs/g-C3N4异质结用于光催化析氢
采用一步煅烧法制备了中空球状g-C3N4(SCNO)/CoO的异质结，显著增强了其光催化析氢气反应性能。借助三聚氰胺、三聚氰酸的超分子自组装合成超分子前驱体，通过在不同煅烧气氛下（氮气、空气）合成的大比表面积中空球状氮化碳结构（SCNN、SCNO）为锚定CoO 量子点提供了充分条件。同时，SCNO/CoO异质结的形成不仅提高了对可见光的吸收效率，而且还加速了光生电子-空穴对的分离和转移速率。以光催化析氢气反应为探针，测得SCNO/CoO（0.2）具有最高的光催化析氢活性达到11495μmol/h/g。此外，我们采取了瞬态吸收光谱深入研究了光生载流子的转移路径，结果表明，SCNO/CoO（0.2）的电荷分离寿命为29.61±0.43 ps，其中包括从CoO 量子点导带转移到SCNO导带的光生电子的寿命，证明了SCNO/CoO 之间形成的异质结能够使得SCNO/CoO复合材料的光催化活性显著增强。结合XRD，XPS，UV-vis，EIS, BET等分析结果，提出了一种可能的光催化制氢机理。