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光催化分解水制氢是实现太阳能转化和储存的有效途径之一，而增强光生电子-空穴的分离效率、诱导光生电子定向迁移又是提高光催化剂产氢活性研究中关注的关键科学问题。 本论文从强化光生电荷分离、诱导光生电子定向迁移以提高光催化制氢效率为主要研究焦点，以新型二维石墨烯（Graphene）碳材料在染料敏化光诱导分解水制氢中的应用为切入点，设计并构建了基于石墨烯、石墨烯氮化碳（g-C3N4）复合材料为电子受体和传递介质的新型高效的光敏化半导体分解水制氢反应体系，较为系统地研究了硼氧配阴离子和甲基紫精（MV2+）在促进光生电荷分离和定向迁移过程中的作用机制，研究了催化剂的微观结构和晶面效应在促进电荷分离方面的特殊贡献，从理论和实验两个层面探讨并验证了催化剂的设计和改性方式对提高光催化产氢活性的关系，取得了如下创新性成果： 1.高效染料敏化金属氧化物/石墨烯光催化还原水制氢体系的构建 原位引入电子传递剂以改善光催化制氢反应体系的光生电子迁移特性、迁移方式和光催化活性位点等，促使光生电子与空穴有效分离，提高光催化剂的可见光产氢活性。以荧光素类染料曙红（EY）为光敏剂，石墨烯为电子传递介质和催化剂载体，硼氧配阴离子和甲基紫精（MV2+）为电子受体和传递剂构建了高效、可见光响应的光敏剂/石墨烯/金属氧化物光催化还原水制氢体系。进而研究石墨烯的结构、敏化剂与电子传递剂之间的相互作用。利用光电化学和光谱分析深入讨论了电子传递剂促进光生电荷分离和转移的作用机制。该部分工作主要有： （1）研究了石墨烯材料作为电子传递和催化剂载体，硼氧配阴离子为电子受体和传递剂构建高效染料敏化还原水制氢体系的有效性。基于石墨烯优异的电子传输性能，以EY为光敏剂吸收光子，石墨烯作为电子传送介质和催化剂载体，硼氧配阴离子作为电子受体和传递剂构建了高效、可见光响应的由光敏剂/硼氧配阴离子/石墨烯/纳米半导体异质结组成的四元光催化还原水制氢体系。利用硼氧配阴离子电子自震荡特性，通过原位浸渍制备B-ZnxCo3-xO4/石墨烯光催化剂，探究了硼氧配阴离子结构、石墨烯的结构、敏化剂与石墨烯的相互作用以及助催化剂含量等因素对催化剂制氢效率的影响；探究了硼氧配阴离子、石墨烯促进光生电荷分离和转移的作用机制和其协同增强效应以及光催化产氢机理。研究表明，硼氧配阴离子与石墨烯作为优异的电子受体和传递介质，形成协同增强效应，可明显提高光生载流子的分离效率，加快光生电子迁移速率，从而增强催化剂的光电性能和光催化分解水产氢活性。 （2）以甲基紫精（MV2+）为电子传递剂和氧化剂、曙红Y作为光敏剂和还原剂、TEOA为电子给体、Co3O4/g-C3N4复合物为催化剂，构建了高效、稳定的光化学氧化猝灭激发态染料的可见光（λ≥420 nm）还原水制氢反应体系。MV2+通过氧化猝灭和还原猝灭两种电子传递机制将电子从激发态染料传递到Co3O4/g-C3N4表面进行质子还原反应，该效应不仅能够有效提高光电子从激发态EY向Co3O4/g-C3N4光催化剂传递速率，而且能够有效地抑制不稳定中间体EY?3-的生成，降低了EY的降解速率，从而提高了可见光吸收效率。 2.催化剂微观结构及晶面效应与光催化性能机理研究 催化剂的微观结构和晶面效应对光催化活性有很大的影响，不同的晶面及晶体微观结构能够赋予催化剂特殊的电子离域特性，从而可以作为电子受体和传递剂增强光生电荷的分离效率。因此，通过对光催化剂晶体微观结构进行有效的微观调控，设计合成具有稳定性好、活性高的催化剂，以达到通过控制晶体微观结构进一步促进电荷分离的效率，是非常有意义的研究课题。该部分的工作主要包括： （1）通过水热法将Co原子植入MoS2结构并负载到石墨烯相氮化碳(g-C3N4)表面，制备了高效的 g-C3N4/CoxMo1-xS2复合光催化剂，其活性远远高于g-C3N4/MoS2。在g-C3N4/MoS2结构中引入钴原子，对g-C3N4/CoxMo1-xS2光催化剂的晶体结构进行微观调控，以改变助催化剂的微观结构实现光生电荷的强化分离和电子定向迁移，进而提高光催化产氢活性。g-C3N4/CoxMo1-xS2催化剂具有不同暴露的Co-Mo活性位点，其活性的增强是由于g-C3N4/MoS2和Co-Mo-S结构形成了协同效应。Co原子的引入提高了电荷分离和电子转移效率，形成的Co-Mo-S结构不仅可以有助于更有效地吸附染料分子，还因其特殊的电子离域特性可以作为电子受体和传递剂增强光生电荷的分离效率，从而显著增强了g-C3N4/CoxMo1-xS2在光敏化体系中的催化产氢活性。在此基础上，进一步研究了g-C3N4/CoxMo1-xS2复合材料中g-C3N4含量对光催化产氢活性的影响。 （2）基于石墨烯氮化碳（g-C3N4）层间存在较弱的范德华力，把体相的g-C3N4通过适当的方法剥离成纳米片。又基于g-C3N4中非金属元素易氧化的特点，通过高温热氧化法对g-C3N4光催化剂进行晶体结构改性，将体相的g-C3N4剥离成纳米片，有效地提高了其比表面积、带隙宽度、光生载流子寿命和电子传导性能。进而研究了染料敏化g-C3N4纳米片的光催化产氢活性以及光催化产氢过程中诸如电子-空穴分离、电荷在半导体催化剂内部的传输机理、催化剂表面的光电化学反应和催化剂结构等对催化剂活性影响规律。