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自从Fujishima和Honda在1972年发现被可见光照射的TiO2电极表面可以析出氧气和氢气以来,半导体光催化技术因为在环境和能源领域有很强的实用性而引起全世界科研工作者的极大兴趣。但是,纯的TiO2半导体光催化剂的可见光光催化活性很弱,原因主要是纯的TiO2只能吸收紫外光,而紫外光在太阳光中所占的比例不足4%。为了提高TiO2的光催化活性并使其在可见光照射下具有光催化性能,科学家们开发出了很多方法,比如阴阳离子的掺杂,与其它半导体的耦合,多孔化以及减小TiO2的颗粒尺寸引起量子尺寸效应等。尽管如此,TiO2的可见光催化性能依然很低。为了光催化事业能够更好的发展,一些科研工作者转向开发TiO2以外具有可见光催化性能的光催化剂。石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种非金属有机聚合物半导体。因为具有很好的化学稳定性,热稳定性,半导体性能,合适的禁带宽度(2.7 eV)以及合适的导带(CB,-1.3 V)和价带(VB,1.4V)位置,g-C3N4被认为在光催化领域有很大潜力。到目前为止,g-C3N4作为可见光催化剂已经被广泛应用于光催化生产新能源,光催化去除污染物以及光催化合成有机化合物等方面。众所周知,光催化技术的核心目标是制备廉价、高效、稳定的光催化剂。合成g-C3N4的原料和方法都比较简单,因此g-C3N4满足廉价的要求。但是,对于高效和稳定这两方面的要求,纯的g-C3N4还没有达到让人们满意的地步,这主要是因为纯的g-C3N4存在多方面的缺点。这些缺点包括：(1)g-C3N4只能吸收450 nm处的蓝光,对可见光的利用效率低；(2)光生电子和空穴很容易发生复合,导致有效光生电子或空穴的数量比较少；(3)g-C3N4容易被自身产生的光生空穴分解,导致g-C3N4的循环稳定性不好。为了使g-C3N4成为一种廉价、高效、稳定的光催化剂,本论文旨在通过对g-C3N4做出适当改性来提高g-C3N4光催化活性以及稳定性,并研究清楚g-C3N4光催化活性以及稳定性得到改善的机理。具体内容如下：1、通过直接煅烧三聚氰胺合成纯的石墨相氮化碳(g-C3N4),在此基础上,将三聚氰胺换成三聚氰胺盐酸盐合成了多孔石墨相氮化碳(P-g-C3N4)。P-gC3N4的比表面积是g-C3N4比表面积的39倍,禁带宽度比g-C3N4的禁带宽度增大了0.13 eV。多孔化一方面可以使石墨相氮化碳光催化氧化罗丹明B的速率提高9.4倍,另一方面却使石墨相氮化碳光催化还原二氧化碳的速率降低4.6倍。发现这些现象之后,我们设计了一些实验详细分析了多孔化导致石墨相氮化碳光催化氧化能力增强以及还原能力减弱的原因。2、通过理论计算结合实验验证的方法证明在不引入外来元素的情况下,通过用C元素均匀取代g-C3N4中的桥连N,引起的C自掺杂可以改变g-C3N4的电子结构和价带结构。同时我们还发现C自掺杂可以在g-C3N4的结构当中引入一些共轭大π键。这些共轭大π键可以增强g-C3N4吸收可见光以及传导电子的能力,从而导致g-C3N4光催化氧化能力和光催化还原能力同时增强。3、通过溶剂热处理g-C3N4的方法合成了甲酸根镶嵌的g-C3N4,之后发现甲酸根镶嵌不仅增强了g-C3N4可见光光催化还原Cr(Ⅵ)的活性,而且增强了g-C3N4的稳定性。经过一系列的研究,我们发现甲酸根镶嵌导致g-C3N4稳定性增强的原因是甲酸根可以捕获光生空穴从而抑制g-C3N4的自分解；甲酸根镶嵌导致g-C3N4可见光光催化还原Cr(Ⅵ)能力增强的原因则有两个方面,一方面甲酸根捕获光生空穴导致g-C3N4产生更多的光生电子,另一方面甲酸根使g-C3N4光催化还原Cr(Ⅵ)的机理从间接还原变成了直接还原。4、通过双氧水氧化处理g-C3N4的方法合成了含氧官能团表面修饰的g-C3N4,发现这些含氧官能团赋予了g-C3N4可以在厌氧条件下氧化去除有机污染物的能力。在可见光的照射下,表面含氧官能团使g-C3N4光催化降解以及矿化污染物的速率常数分别提高了18倍和7倍。经过系统研究,我们发现这些含氧官能团使g-C3N4可以在厌氧条件下光催化氧化去除有机污染物的原因是含氧官能团可以代替氧气捕获光生电子,抑制光生空穴与电子的复合。另外,含氧官能团还可以将捕获的光生电子传递给水或质子来产生氢气,从而保证g-C3N4在厌氧条件下去除有机污染物的稳定性。5、通过一步剥层的方法将g-C3N4的半导体类型从n型变成p型,并发现在可见光的照射下,p型g-C3N4可以高效率高选择性地将CO2还原为CO。p型g-C3N4光催化还原CO2的活性比n型g-C3N4好的原因有三方面,第一是超薄的氮化碳结构以及剥离时形成的表面缺陷使得g-C3N4可以吸收更多的可见光,从而产生更多的电子空穴对；第二是超薄结构以及表面缺陷有利于光生载流子的分离；第三是表面缺陷使CO2在g-C3N4表面的化学吸附性能得到提高。p型g-C3N4光催化还原CO2的产物选择性比n型g-C3N4高的原因是表面缺陷将CO2在g-C3N4表面的化学吸附方式从C与桥连N相连形成N-CO2-基团变成O与桥连N相连形成N-O-C=O基团,这导致CO2在氮化碳表面的还原机理发生了变化。