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太阳能光催化分解水制氢技术是一种高效、环保、可再生的获取氢气的理想方法,也是将太阳能转化成可储存化学能的有效途径。在众多的光催化材料中,石墨相氮化碳因其可见光吸收强、化学构成简单、无毒和稳定性高等优点,是最具有应用前景的半导体光催化剂之一。然而,石墨相氮化碳本身仍然存在可见光利用率低、光生载流子传输速率慢、光生电子-空穴易于复合等不足,导致其光解水性能较低,距离实际应用仍存在不小的差距。因此,探求有效的改性方法对其进行改性处理,进一步提高其光催化活性,是推动太阳能驱动石墨相氮化碳分解水制氢技术的实际应用的关键。本论文通过原位构筑单原子廉价金属助催化剂促进光生电荷表面催化转移,原位阴离子改性及新型气相元素掺杂促进光生载流子分离和传输,设计和制备了几种改性石墨相氮化碳光催化材料,主要研究工作如下:(1)通过尿素与Co离子络合反应,结合高温热解及磷化反应,制备出新型单原子Co负载P掺杂氮化碳(Co/PCN)光催化材料,其中Co单原子被锚固于P掺杂氮化碳的晶格中。模拟可见光照射下,Co/PCN光催化材料显示出高效、稳定的光催化活性。其中,在单原子Co负载量为1.5 wt%时Co/PCN光催化材料的光解水产氢速率最高可达892.5μmol/g/h,远远高于贵金属Pt作助催化剂的光解水产氢速率(412.6μmol/g/h),是P掺杂氮化碳(27.2μmol/g/h)的33倍。UV-vis DRS结果表明单原子Co的负载会在P掺杂氮化碳中形成中间带隙,有利于对光生电子的捕获。研究表明,Co单原子作为电子捕获陷阱能够有效促进光生电荷的迁移,抑制光生电子-空穴的复合,增强载流子的表面电荷转移能力,因而显著提高了Co/PCN光催化材料的光解水产氢性能。(2)以尿素、三聚氰胺与硫氰酸钾为原料,通过高温热缩聚,制得了硫阴离子改性石墨相氮化碳光催化剂(S-CN)。XPS表明硫阴离子位于石墨相氮化碳的端位。在光照下S-CN光催化剂表现出高效、稳定的光催化活性。其光解水产氢速率高达1692.5μmol/g/h,远远高于S掺杂氮化碳以及S、K共掺杂氮化碳(分别为526.4μmol/g/h和648.3μmol/g/h),是未掺杂的氮化碳(132.4μmol/g/h)的11倍。PL和电化学测试结果表明硫阴离子能够极大的增强石墨相氮化碳的光生载流子分离能力,抑制光生电子-空穴的复合,增加载流子密度并且促进电荷表面迁移。DFT理论计算表明,引入硫阴离子可以通过改变石墨相氮化碳的静电势局部波动来促进光生电荷的分离,因而S-CN光催化材料具有优异的电荷传输能力,显著提高了其光解水产氢性能。(3)采用简单的气相磷化法,制备出气相P掺杂氮化碳光催化材料(GPCN)。在GPCN中,P原子掺杂于石墨相氮化碳的间隙位置。模拟可见光照射下,GPCN光催化材料展现出高效、稳定的光催化活性。其光解水产氢速率高达2386.6μmol/g/h,远远高于取代掺杂的P掺杂氮化碳(412.6μmol/g/h),是未掺杂的氮化碳(132.4μmol/g/h)的18倍,在400 nm光照下的量子效率可高达12.7%。基于PL和电化学测试结果,P原子处于石墨相氮化碳的间隙位置会在石墨相氮化碳中形成新的电子迁移通道,从而有效延长了载流子寿命,促进光生电子-空穴对的分离,抑制光生电子-空穴的复合,增强载流子的表面电荷转移能力,因而显著提高了GPCN光催化材料的光解水产氢性能。