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当前能源转换领域面临资源紧缺及环境污染等重大挑战,促使人们不断探索和发展新型清洁能源,以实现能源的高效利用与可持续发展。在众多获取清洁能源的途径中,光催化及电催化过程具有清洁、高效、可循环利用等优点,引起了科研工作者的广泛关注。高性能催化剂是实现高效率光、电催化的基础。对光催化剂而言,传统半导体材料存在光谱响应范围窄、光腐蚀严重等问题;而电催化剂存在导电性较差、活性组分易聚集等缺点。层状双金属氢氧化物(Layered double hydroxieds,LDHs)具有独特的层状结构拓扑不变性、金属元素可调变、活性中心高度分散等特点,近年来在光、电催化领域表现出巨大的发展潜力。本论文分别针对光催化及电催化领域最重要的两类反应(光催化分解水、电催化还原二氧化碳),设计并制备了多级核壳结构Cu20@ZnCr-LDHs及原子级厚度Co/C03O4两类异质结构催化剂。通过调控各组分的能带结构,拓宽了可利用的光谱范围,提高了催化剂的稳定性,进一步对催化剂的界面特性及电子结构进行了精确调控,分别实现了光、电催化性能强化,获得了两类性能优异的光、电催化材料。具体研究内容如下:1.Cu20@ZnCr-LDHs核壳结构空心微球的制备及其光解水性能研究利用Cu20纳米立方体作为软模板,基于软硬酸碱理论,在其表面原位生长ZnCr-LDHs阵列,制备得到了核壳结构Cu2O@ZnCr-LDHs空心微球。SEM、HRTEM研究表明Cu2O具有规则的空心立方体形貌,粒径尺寸约为180 nm,ZnCr-LDHs纳米片的侧向尺寸为200 nm。基于柯肯达尔效应,揭示了核壳结构空心微球的形成机理:Cu2O中微量溶解的Cu+离子作为软酸,与具有软碱特性的S2O32-发生络合,形成可溶的[Cu2(S2O32-)n]2-2n及OH-阴离子,络合过程导致了Cu2O模板的向内刻蚀;Zn2+和Cr3+在碱性条件下,在Cu2O表面发生共沉淀形成垂直取向的ZnCr-LDHs纳米片阵列,同时S2O32-进入ZnCr-LDHs层间以平衡层板正电荷,最终形成核壳结构Cu2O@ZnCr-LDHs空心微球。进一步研究了其可见光催化分解水性能,在不借助任何牺牲剂及助催化剂的条件下,实现了对纯水的全分解,产氢和产氧速率分别达到0.90 μmol h-1和0.44 μmol h-1,优于文献报道的大多数光催化材料在同样条件下的性能。此外,该催化剂在连续使用五个循环、20 h的反应时间内,其反应活性未表现明显下降,证明了其具有良好的光稳定性。2.Cu2O@ZnCr-LDHs界面结构精细调控及光解水性能强化机理研究为了揭示Cu2O@ZnCr-LDHs中光生载流子的传输机制,采用同步辐射技术与分子动力学模拟相结合的手段,证明了 Cu2O@ZnCr-LDHs异质结构界面处形成了独特的Cu-(S2O32-)/LDH化学键合结构。进一步通过调变制备参数,对其界面处的Cu-(S2O32-)/LDH桥键结构进行了调控,构筑了一系列Cu2O@ZnCr-LDHs光催化剂,实现了光催化性能的进一步增强。在可见光条件下,不引入任何牺牲剂和助剂,其氢气和氧气产生速率分别提高至3.42 μmol h-1和1.63 μmol h-1。采用多普勒展宽正电子湮灭技术(CDB-PAS),并结合X射线精细吸收光谱(XAFS),对界面桥键结构进行了定量描述,追踪了光生电子的迁移行为,揭示了界面桥键结构与光催化性能之间的构效关系。在桥键结构存在的条件下,光生电子的传输遵循Z型传输路径:ZnCr-LDHs导带中的光生电子注入Cu2O的价带,中和Cu2O的光生空穴,抑制其自身的光腐蚀。通过界面桥键结构优化,光生载流子的定向迁移能力获得大幅提升,显著促进了电子-空穴高效分离并参与到光催化反应中,提高了光催化活性。前人报道的载流子的界面传输的认识多基于半经验推测及计算模拟,而本论文工作从实验研究方面提供了通过异质结构界面优化促进载流子的高效迁移、提升光催化性能的直接证据。3.原子级厚度Co/Co3O4催化剂的制备及其电催化CO2还原性能研究将CoAl-LDHs在甲酰胺中进行剥层,得到单片层LDHs纳米片,使金属钴原子充分暴露;在此基础上,基于层板钴原子与2-甲基咪唑分子间的络合作用,将ZIF-67颗粒锚定于单层CoAl-LDHs表面;进一步对其进行贫氧焙烧,将2-甲基咪唑分子碳化并还原部分二价钴,制备了原子级厚度的Co/Co3O4催化剂,并研究了其电催化还原CO2性能。利用ZIF-67的锚定作用,抑制了焙烧-还原过程中CoAl-LDHs纳米片的堆叠,使活性位充分暴露;EXAFS研究表明Co/Co3O4催化剂中钴原子处于配位不饱和状态,其周围的电荷密度显著增加。以上协同作用使得该催化剂表现出良好的电催化CO2还原活性。通过控制CoAl-LDHs前驱体的剥层程度,对Co/Co3O4催化剂的片层厚度及活性位暴露率进行了调控。原子级厚度的Co/Co3O4电催化剂在-0.90 V(vs.SCE)、～300 mV过电势的条件下表现出最大的电流密度(-8.27 mA cm-2),分别是利用块体前驱体制备和部分剥层前驱体制备的Co/Co3O4催化剂电流密度的30.70和4.38倍。不仅如此,原子级厚度的Co/Co3O4催化剂在-0.90 V的还原电位下,对于甲酸产物表现出～80%的法拉第效率,具有潜在的应用价值。