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随着人类工业化水平的急剧提升,环境污染和能源危机已成为人类社会进程中的重要限制因素。因此,发展新的清洁能源以替代传统化石能源成为迫在眉睫的事情。在众多新型能源中,氢燃料由于具备能量密度高、制备原料丰富以及环境友好等特性,成为未来新能源的发展趋势。目前,利用有效的半导体材料为媒介来实现光照条件下分解水制氢是氢气制备最有效的手段之一,有望在解决能源危机的同时不对环境造成破坏,具有重要的研究意义。在整个光催化分解水制氢体系中,催化剂的选择是核心所在。光催化剂需要具备适宜的带隙宽度和能带位置,以满足光解水析氢反应中的热力学和动力学要求。同时也要求催化体系具备高效、稳定和绿色等特点,使催化剂能够运用到实际生活中。至今为止,科研工作者们已发现了多种可以用于光催化分解水制氢的半导体材料。其中,石墨相氮化碳（g-C3N4）由于具备良好的稳定性以及合适的带边位置,在光催化析氢领域中表现出了巨大的应用前景。然而,通过高温热聚合得到的g-C3N4材料通常具有比表面积小、光生载流子输运和分离效率低等缺点,使其难以获得理想的光解水析氢产率。因此,如何有效调控g-C3N4的结构,增强光生电子在析氢反应中的利用效率,提高氢气的最终产率成为了研究重点。本论文对g-C3N4基催化剂的研究改性现状进行了分析,围绕着材料光生载流子输运和分离效率低以及比表面积小等问题,采取了以下策略:首先,利用热氧化刻蚀法对g-C3N4的微纳米结构、表面化学状态以及能带结构进行了调控;然后,利用光化学沉积合成来实现助催化剂的精确负载,以提高光生电子在析氢反应中的利用效率。同时,我们结合稳态荧光光谱（PL）、光电化学测试以及密度泛函理论计算（DFT）对复合材料析氢性能增强的内在机制进行了探究。具体研究内容如下:第一,薄层g-C3N4纳米片的制备及其结构性能研究。本章首先通过热聚合法制备体相g-C3N4,再利用热氧化刻蚀法对其进行减薄,得到了具有薄层结构的g-C3N4纳米片。对热刻蚀前后g-C3N4的物相结构、表面化学状态、光学性质以及沉积Pt后的析氢活性进行了系统研究。结果发现,经过热氧化刻蚀后,g-C3N4纳米片的基本结构单元得到了保留,同时材料的层间间距和表面N元素的含量有所降低,其比表面积提高到原来的3倍。由光电化学测试以及析氢性能评价结果可知,热氧化刻蚀可以有效提升光生载流子在催化剂中的转移和输运效率。同时,漫反射光谱（DRS）和DFT计算结果显示,热氧化刻蚀后g-C3N4纳米片的导带位置向更负的方向移动,使激发产生的光生电荷具备更强的还原能力,能更有效地实现对水的还原以制备氢气。g-C3N4纳米片表现出了比体相g-C3N4更优异的光电化学性能,更适合作为基体催化剂材料,进行进一步的研究改性工作。第二,NiS/g-C3N4复合材料的光化学沉积法合成及其光解水析氢性能研究。以薄层g-C3N4纳米片为基体材料,采用光化学沉积法制备了具有牢固异质结的NiS/g-C3N4复合催化剂。在可见光的照射下（λ≥400 nm）,NiS/g-C3N4复合催化剂在TEOA存在的水溶液中表现出了较高的析氢活性。当NiS助催化剂的负载量为1.0 wt%时,析氢速率达到最大值(1346.1μmol·h-1·g-1),对应的表观量子效率（AQE）为7.67%。通过合成机理分析可知,在光化学沉积过程中,由于需要g-C3N4产生的光生电子参与还原反应,NiS颗粒可以选择性地沉积在g-C3N4表面的活性位点,实现助催化剂的精确负载,因此比其他方法制备的同类催化剂表现出了更高的析氢活性。结合光电化学测试、PL光谱和DFT计算可知,NiS助催化剂与g-C3N4纳米片接触界面间形成了类肖特基异质结,可以有效实现光生电子-空穴对的快速分离。同时,助催化剂NiS在析氢反应中能够成为电子捕获中心和析氢靶向活性位点,进一步提高复合催化剂的光解水析氢活性。第三,CoS/g-C3N4复合材料的制备及其光解水析氢性能研究。以g-C3N4纳米片为载体材料,通过光化学沉积法成功制备了CoS作助催化剂的CoS/g-C3N4复合材料。利用扫描电子显微镜（SEM）,透射电子显微镜（TEM）,X射线衍射仪（XRD）,X射线光电子能谱（XPS）以及DRS光谱等表征手段对复合材料的形貌、结构与光学性质进行了测试,并借助第一性原理计算揭示了CoS的类金属性质。在可见光的照射下,对g-C3N4纳米片及CoS/g-C3N4复合材料的析氢活性进行了评价。通过优化助催化剂CoS的负载量得出,当CoS的量为1.0 wt%时可以获得最佳的光解水析氢效率,其光解水产氢速率可达1862.2μmol·h-1·g-1,对应的表观量子效率为10.61%。由光电化学测试及PL光谱可以获悉,负载的CoS助催化剂可以明显降低电荷在CoS/g-C3N4催化剂中的迁移阻力,使更多光生电荷能迁移至催化剂表面参与析氢反应,从而使其表现出了高效的光解水析氢性能。第四,CoSe2/g-C3N4异质结的光化学沉积法合成及其光解水析氢性能研究。以g-C3N4纳米片为基体材料,通过温和的光化学沉积法实现了CoSe2助催化剂的精确负载,成功制备CoSe2/g-C3N4复合光催化体系。借助多种表征仪器对异质结材料的形貌、结构与光学性质进行了测试,结果表明,CoSe2/g-C3N4复合催化剂表现出了较高的光催化分解水析氢活性,并且助催化剂的负载量对催化体系的析氢性能有较大影响,当CoSe2的负载量为2.5 wt%时,其析氢性能达到最大值(2468.9μmol·h-1·g-1),表观量子效率达到14.05%。利用光化学沉积法可以将CoSe2助催化剂精确地沉积在g-C3N4纳米片表面的活性位点,并在二者的结合界面间形成类肖特基异质结。因此,g-C3N4纳米片上激发产生的光生电子可以快速转移至助催化剂CoSe2上,参与随后的光解水析氢反应,从而实现了光生电子-空穴对的快速分离,提高了光生电子的利用率,最终使复合光催化体系表现出了高效的光催化析氢活性。