层状结构光催化剂由体相结构剥离为二维单层或者二维薄层形貌能缩短光生载流子体相至表面的迁移距离，提升光子的吸收利用效率以及反应物的质量传输效率；获得大比表面积，为催化反应提供充足的反应活性位点；同时，方便改性调控材料固有属性和构建多功能催化剂。因此，近年来层状结构石墨相氮化碳（g-C3N4）催化剂在可见光分解水制氢领域引起了极大的关注。此外，g-C3N4还具有光解水合适的能带结构、制备方法简便、前驱体廉价丰富、化学和热学性质稳定等众多优点。本文将以层状结构催化剂为研究对象，以结构与性质稳定的g-C3N4为具体模型材料，通过强化光生电荷分离与界面催化反应的基本策略，发展和提高了层状结构可见光催化剂的调控改性方法与可见光催化制氢性能。期望取得的研究成果能为太阳能光催化制氢提供有效研究范例，为更多有潜力的新型层状功能材料的设计开发提供新的思路。本文的主要研究内容及结论如下：
首先，通过构建层状异质结强化了光生电荷分离效率，使层状结构光催化剂的可见光催化产氢性能得到明显提升。正电性ZnCr　LDH纳米片与负电性g-C3N4静电吸引作用能自组装形成紧密接触的层状异质结光催化剂。ZnCr　LDH和g-C3N4半导体之间能带匹配符合Type　II型结构，因此结界面内建电场作用使光生电荷发生定向分离实现电子与空穴在物理空间的隔离，使电荷分离得到强化而提升层状结构光催化剂的可见光制氢性能。异质结催化剂的最优产氢速率为1.87　μmol·h-1，是g-C3N4的2.8倍。
　　　　其次，通过调控层状结构光催化剂层内微观结构强化了界面催化反应过程使可见光制氢性能得到显著增强。当催化剂的光生电荷分离得到充分保证时，其表面催化反应速率可能成为制约制氢性能继续提升的速控步骤。因此，强化催化剂与反应介质的界面反应过程对提升催化性能同样重要。添加氨水为g-C3N4水热改性提供碱性环境，　OH-在水热条件下迅速刻蚀七嗪环结构产生悬空键而引入-OH和-C=O-等亲水基团，增强催化剂与反应物分子间的相互作用，有效降低产氢反应势垒。另外，七嗪环的裂解和亲水基团的引入使g-C3N4的电子结构得到修饰，使导带底电势随氨水浓度的升高变得更负，导致光电子具备更强的还原能力。同时，催化剂增强的亲水性与更负的导带电势能加速光电子向反应物转移，达到强化界面催化反应的目的。当氨水添加量为5　mL时，层内调控后的g-C3N4产氢速率最高为14.15　μmol·h−1，是g-C3N4修饰前的7.5倍。
进而，同时强化电荷分离与界面反应极大地提升了层状结构光催化剂的可见光制氢性能。研究发现，无机酸质子化处理可使g-C3N4获得亲水性表面；热处理的膨胀效应使g-C3N4的层与层剥离，同时氧化刻蚀作用在层内制造大量孔结构。而结合两种改性方法可以制备出多孔亲水g-C3N4（CN-HT），其可见光催化产氢速率最高为44.8　μmol·h−1，是g-C3N4的29.5倍。CN-HT增强的光催化产氢性能一方面源于得到强化的光生电荷分离效率：催化剂丰富的孔结构有效缩短光生载流子从体相迁移至表面的距离而使载流子在迁移过程中的复合几率降低，并能同时促进反应物分子向催化剂内部扩散。另一方面源于被强化的界面催化反应过程：结构中引入的亲水基团使催化剂与反应物之间的相互作用得到强化，并且导带底电势变负使光电子具备更强的还原产氢能力，共同作用下光电子可以快速地转移至反应物。
最后，在强化电荷分离与界面反应的基础上，通过在层状结构光催化剂表面构建金属磷化物析氢活性中心实现了无贵金属负载高效可见光催化制氢。首先利用静电吸引作用使Co3O4纳米颗粒均匀吸附在g-C3N4纳米片表面，再通过磷化作用使小尺寸、高分散、高结晶的CoP纳米颗粒与g-C3N4纳米片形成紧密接触的异质结。其中，0.45　wt%　CoP/CN的可见光催化产氢速率最高为10.74　μmol·h-1，是0.5　wt%　Pt/CN的5倍以及g-C3N4的283倍。深入研究发现Co、N原子间的强烈相互作用形成载流子转移新路径，光生电子从层状g-C3N4向CoP助催化剂迁移而使光电子—空穴分离效率得到强化。另外，强析氢活性的Co-P键使光电子迅速参与质子还原反应形成并释放　H2，而高效地强化界面催化反应过程。