当前环境与能源问题日益严峻,氢能作为一种清洁的可再生能源引起了极大关注。利用光催化技术将太阳能转化为氢能已是当前研究的热点之一,而如何寻找和设计高效的可见光响应和高活性的光催化剂是光催化技术面临的核心问题。目前作为新一代最具潜力的有机聚合物半导体光催化剂,石墨相氮化碳(g-C3N4)材料仍存在可见光利用率低,光生电子和空穴复合率高,比表面积小和活性位点少等缺点,这极大地阻碍了该光催化材料的发展和未来实际应用。所以本论文针对以上不足,从诱导电子转移和形貌设计两个角度,在分子水平上利用分子嫁接技术合成了具有分子内电荷定向转移和可控电子迁移能力的氮化碳材料;在纳米尺度上以超分子预组装策略设计了掺杂与缺陷共存的多级微纳结构,实现了更高效的光催化分解水产氢,并借助理论计算和模拟揭示了光催化的反应机理和电子结构。具体内容如下:利用氨基与卤代烃的亲核取代和氨基与醛基的希夫碱化学反应,通过对碘苯甲醛和尿素在550℃下共聚,一步法构建了具有不对称结构的供体-π-受体型(D-π-A)的多孔氮化碳材料。采用透射电镜、红外光谱(FT-IR)、碳-13固体核磁(13C NMR)等表征进一步验证了这种结构的形成。通过插入苯环,扩大了本体g-C3N4结构的共轭系统,使得电子的离域性增加。合成过程中气体溢出导致的疏松多孔结构增加了氮化碳的比表面积,暴露了更多活性位点。同时苯环两端的供体和受体基团发生极化,产生分子内电荷转移,为光生电子提供了导向力的定向迁移,从而增强了光吸收能力并提高了光生载流子的分离效率。这些因素协同提高了氮化碳的光催化产氢活性。在可见光照射下该氮化碳的光催化产氢速率达到了2880.98μmol/g?h,是对照氮化碳的约5.1倍,在420 nm处的表观量子产率为5.49%。其他共轭结构如吡啶、噻吩或呋喃构建的D-π-A结构也具有很好的产氢活性,进一步揭示了该策略在设计新型光催化剂方面的普适性。利用分子嫁接技术将苯甲醛和对氟苯甲醛分别连到氮化碳骨架中,通过X射线光电子能谱和理论计算证实了接入基团对氮化碳材料局部电子迁移的精确调控。同时改变接入基团的量可以进一步调控电子迁移,优化氮化碳的性能。重置的局部电子结构能够增强氮化碳材料的光生电荷分离和产生红移的光致发光。电子迁移最优样品的光催化产氢速率是原始氮化碳的9倍,在420 nm处的表观量子产率为20.98%,500 nm处可以达到为7.69%。此外,经超声剥离的氮化碳悬浮液具有稳定可调的无干扰红移荧光发射性能,结合氮化碳良好的生物相容性和无毒性,该材料可望被应用在生物成像、光疗和其他生物医学领域。利用超分子预组装策略,以三聚氰胺为唯一前驱体,通过自模板方法成功地获得了双层管状氮化碳和具有内部多孔珊瑚状结构的多级管状氮化碳,并实现了氧掺杂和碳缺陷的同时引入。利用电子断层扫描技术首次分析并揭示了多级管状氮化碳的三维结构。紫外可见吸收光谱,X射线光电子能谱,固体核磁等表征进一步分析了掺杂和缺陷的合理性。这种多级的中空结构优于简单的中空管状氮化碳,能提供更多的可被接触的反应活性位点,并协同构建新的非均相催化界面。该结构具有较大的比表面积、较短的电荷转移距离、增强的光散射、快速的传质速率以及具有中间带隙的匹配带隙的优点,能显著提升其光催化产氢的性能。与原始氮化碳和简单管结构的氮化碳相比,其产氢速率分别提高了36倍和2.6倍,在420 nm处的表观量子产率可达32.4%。本研究为设计环境友好型可控微纳米结构,用于太阳能-化学能高效转换,提供了新的思路。本论文引入诱导电子转移新概念与三合一的多级微纳结构,协同改善氮化碳材料的光催化产氢性能,取得了显著的效果。将分子工程与纳米工程相结合的理论方法为今后探索新型光催化机理奠定了基础。