日益严峻的能源危机和环境问题引发人们对可持续发展的思考和追求。作为储量丰富的基础化工原材料,甲烷（CH4）直接转化为增值化学品在能源和环境方面表现出巨大潜力。不同于目前热催化CH4间接转化路线的高热能消耗,光催化技术可以在相对温和的条件下实现CH4转化,具有重要的学术意义和应用前景。本论文以廉价易得且无毒的二氧化钛为催化剂主体,通过表面改性和异质结构建等策略改善Ti O2光吸收性能以及光生载流子易复合等问题,尝试解决CH4转化反应的活性和选择性问题,揭示光催化CH4转化反应过程中的载流子分离机制。具体研究内容如下:1.通过表面改性和助催化剂修饰,构筑了Pd0.5-def-TiO2光催化剂。在室温和365 nm光照射下,Pd0.5-def-Ti O2实现CH4高效转化制高附加值C1化学品,甲醇（CH3OH）,过氧甲醇（CH3OOH）以及甲醛（HCHO）。C1含氧化合物的最高产率达到54693μmol·g-1·h-1,相对于纯相TiO2和氧空位（OVs）修饰TiO2（def-Ti O2）,产率分别提升近14和4倍。原位光照XPS和EPR结果证明Pd与OVs分别为光生空穴以及电子受体,协同促进了载流子分离,进而强化表面反应动力学;此外,根据同位素实验,确定了反应途径以及O2和H2O是产生含氧化合物的氧源。2.通过构筑异质结结构,制备了C-TiO2/g-C3N4异质结用于光催化甲烷转化。光电性质实验证明构建异质结能够促进光生载流子分离,提高电荷载流子的利用率。催化剂C-Ti O2/g-CN-5光照2小时后HCHO的产量能够达到25.37μmol,是单一g-C3N4催化剂的7.5倍,以及单一C-TiO2反应性能的1.6倍。反应后液体产物仅有HCHO且HCHO的选择性能够达到98.2%。本文从提高性能和优化选择性两个方面来改善TiO2的光催化CH4转化性能。引入表面缺陷和负载贵金属共修饰成功提高Ti O2光催化CH4转化性能。此外,与g-C3N4构建异质结的方法可以促进光生载流子分离,提高电荷载流子的利用率。这两个工作通过经济,高效的改性策略提升了甲烷转化的反应性能与选择性。