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高效利用太阳能实现光能转换（如人工光合作用、光催化降解等）是当前热门研究方向,对于解决能源问题和环境问题具有重大意义。利用三维直写技术可实现金属、陶瓷、聚合物、水凝胶等复杂三维构型的程序化构筑,可为构筑三维高效光催化体系提供新的思路和实现途径。本文利用三维直写技术分别构筑钛酸盐人工光合体系和三维柔性C3N4基复合气凝胶。通过微观结构表征、流变特性、孔隙率表征等手段研究不同墨水配方对其粘稠度、流变性能、直写方式、直写尺度、产物多孔特性等的影响规律,研究不同直写介质对直写方式、成型效果的影响规律,归纳并总结适合直写目标材料的直写工艺（墨水配方、直写参数等）。采用模拟计算和实验验证研究并揭示三维构型与其光还原特性及气体传输特性的构效关系。主要研究内容包括:提出用三维直写技术构筑钛酸盐人工光合体系并用于CO2光还原生成碳氢化合物的学术思路和技术路线。以TiO2体系为例制备了最小丝径为10μm的三维有序排列的人工光合体系。流变性能表明TiO2基直写墨水具有剪切致稀效应且模量在104 Pa数量级适合直写构型。在原始墨水中加入DBSA、F127、P123、CTAB、SDS五种表面活性剂以提高墨水比表面积,其中仅液态DBSA能均匀分散用于直写。利用DBSA引入介孔（平均孔径约2nm）使TiO2比表面积提升至64.17m2/g（无DBSA的比表面仅5.38 m2/g）。进一步添加SiO2纳米颗粒（15nm,30nm）引入较大介孔并提升反应气体传输效率。类似TiO2基墨水直写技术可推广到其他钛酸盐材料（SrTiO3）。气相CO2光还原性能表明,紫外可见光无牺牲剂条件下负载了1wt%Au和1wt%RuO2助催化剂后直写三维结构TiO2的还原产物（主要为CO和CH4）产生速率分别为0.152和0.134μmol·g-1·h-1,比相同比表面积粉末对比样高25%,性能的提升主要归因于气相反应体系三维构型更高的气体传输效率。进一步用COMSOL软件模拟CO2在三维阵列和平板模型中的传输行为,发现其在三维阵列中的传输速率更高,证实直写技术构筑的三维结构有利于气相人工光合反应的气体传输。提出利用三维直写技术结合超临界干燥构筑柔性C3N4基气凝胶的新方法和新工艺。采用C3N4纳米片和海藻酸钠复合体系为直写墨水,其流变性能表明纯C3N4纳米片（比表面积331.5 m2/g）在较低应变下发生屈服不适合制成直写墨水,复合体系墨水是典型非牛顿流体且具有较高模量适合制成墨水。研究C3N4基墨水在CaCl2/甘油、F127凝胶、空气三种不同直写介质中的成型特征和形貌规律。空气介质中直写简单但墨水难以保持完整圆柱形状且直写精度较低;F127凝胶介质可很好保持直写形状,但F127有机附着物难以去除;CaCl2/甘油介质具有结构完整性且不引入杂质。在CaCl2/甘油、F127凝胶、空气介质中直写结构的最小丝径分别为50μm、30μm和80μm。随后用超临界干燥技术获得气凝胶三维多孔网络结构。通过在C3N4纳米片表面负载吸收峰为500-1000 nm的等离子体Au纳米棱以拓宽光谱吸收提高光能利用率。该研究首次利用三维直写技术构筑有序阵列的C3N4基柔性气凝胶材料,并可拓展到其他C3N4基复合体系如C3N4-石墨烯体系。所得三维多孔C3N4基气凝胶有望应用于光降解水处理领域。该研究为新型三维光催化体系的模块化设计与构筑提供新思路、新方法,为多尺度创新构型的设计提供了技术支持和实验基础,具有重要科学价值和研究意义。