铬黑T是一种常见的金属离子指示剂，其颜色随溶液pH值不同而变化，且与其金属离子络合物颜色有明显差异，可有效指示反应终点，在分析化学领域有广泛应用。本文用计算化学方法研究了铬黑T及其典型金属离子(Mg²⁺、Ca²⁺)络合物的分子结构，计算了它们的紫外可见光谱，分析了其分子结构与电子光谱之间的内在关联，并使用紫外-可见吸收光谱法测定了不同pH值的铬黑T溶液及其钙、镁络合物的吸收光谱。理论与实验研究相结合阐释了铬黑T指示剂的显色和变色原理，研究结果有助于加深对铬黑T结构-性能关系的理解。

通过一步水热法成功制备了一种水系锌离子电池正极材料——富1T相的MoS₂(1T′-MoS₂)。表征结果与密度泛函理论(DFT)模拟计算表明，1T′-MoS₂的电导率明显高于2H-MoS₂，并且含有丰富的硫缺陷。这有助于大幅提升离子扩散速率和电荷转移速率，优化材料的电化学和动力学性能。因此，采用1T′-MoS₂组装的电池在0.1 A·g^-1的电流密度下，首次放电容量高达202 mAh·g^-1。此外，在大电流密度下(1 A·g^-1)，其经过500次恒电流充放电循环后，电池的容量保持率为92%，显示出较高的容量和长循环稳定性。

采用一步水热法合成泡沫镍(NF)自支撑的Co₉S₈/Ni₃S₂@NF杂化纳米棒阵列，其可以作为尿素氧化反应(UOR)和析氢反应(HER)的双功能催化剂。物相分析、形貌表征和电化学测试结果表明Co₉S₈/Ni₃S₂@NF异质结杂化纳米棒阵列通过Co₉S₈与Ni₃S₂之间的耦合异质界面促进了电子转移，提高了电荷转移速率。同时，该催化剂的粗糙表面使其展示出优异的超亲水性和超疏气性，有利于气体输送以及电解液扩散。在UOR和HER中，该催化剂分别在120和103 mV的低过电位下就能达到100和10mA·cm^-2的电流密度。此外，利用合成的Co₉S₈/Ni₃S₂@NF电极同时作为阴极和阳极，当电流密度达到100 mA·cm^-2时双电极电解池的运行仅需要1.57 V的低电压，并且在20 mA·cm^-2电流密度下稳定运行27 h，无明显活性衰减。

同时提升体相和表面电荷分离与利用效率对于实现高效光催化析氢反应至关重要。本研究采用溶剂蒸发策略，将NiCr₂O₄纳米片负载于孪晶Cd_0.5Zn_0.5S (T-CZS)纳米颗粒表面，成功制备了NiCr₂O₄/T-CZS复合材料。经过优化，6% NiCr₂O₄/T-CZS在以聚乳酸(PLA)塑料为牺牲剂的NaOH溶液中析氢速率(r_H2)达到81.4 mmol·h^-1·g^-1，这一显著提升主要归因于T-CZS由纤锌矿Cd_0.5Zn_0.5S (WZ-CZS)和闪锌矿Cd_0.5Zn_0.5S (ZB-CZS)组成，二者能带结构存在微小差异，使得WZ-CZS与ZB-CZS之间及T-CZS与NiCr₂O₄之间形成了S型电荷转移路径，从而促进了体相和界面电荷快速分离，确保了具有强还原能力的电子参与析氢反应(HER)。此外，借助NiCr₂O₄的局域表面等离子体共振(LSPR)效应，增强了体系对紫外-可见-近红外光的吸收，产生的热电子进一步促进了HER。同时，NaOH溶液增强了空穴的氧化反应驱动力，间接提高了HER动力学。研究还发现，其它金属铬酸盐(MCr_xO_y)，如CoCr₂O₄、AgCrO₂、Bi₆CrO₁₂、BaCrO₄、ZnCr₂O₄、CdCr₂O₄、CuCr₂O₄等，也能不同程度提高T-CZS析氢活性。上述研究结果表明，同质异质结中体相与界面S型电荷转移路径能够实现高效光催化产氢与废塑料降解过程的有效协同，为解决能源与环境挑战提供了新的思路。

以静电纺丝技术制备的TiO₂纳米纤维为基质，硝酸铋为铋源，乙二醇为还原剂，采用原位水热法构筑了Bi/Bi₂S₃/TiO₂复合纤维材料。利用粉末X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、紫外可见吸收光谱、光电流响应、电化学阻抗谱和荧光发射光谱对复合纤维材料的形貌、结构和光电性能进行了表征和分析。在气固相反应环境下，对Bi/Bi₂S₃/TiO₂复合纤维的光催化CO₂还原性能进行了研究。结果表明，金属Bi纳米粒子和鳞片状Bi₂S₃有序构筑在TiO₂纳米纤维表面。金属Bi的表面等离子体共振(SPR)效应与Bi₂S₃/TiO₂异质结产生了协同作用，有效增强了Bi/Bi₂S₃/TiO₂的光催化CO₂还原活性，还原反应主要产物为CH₄和CH₃OH，产率分别达到4.21和9.86 μmol·h^-1·g^-1，约为Bi₂S₃/TiO₂的3倍。

光催化合成过氧化氢(H₂O₂)是一种至关重要的清洁能源转化过程，涉及对氧气的两电子还原。然而，这一过程常常受限于缓慢的水氧化反应，后者需要光生空穴的参与。为了应对此挑战，我们设计了一种双功能的S型ZnO/CdIn₂S₄异质结体系，将H₂O₂生成与增值的苄胺(BA)氧化反应进行耦合。在此双功能光催化系统中，CdIn₂S₄中的光生电子可以高效地还原O₂生成H₂O₂，而ZnO中的光生空穴则选择性地将BA氧化为N-亚苄基苄胺。得益于S型异质结的优势，相比于纯ZnO或CdIn₂S₄，优化后的ZnO/CdIn₂S₄光催化剂展示出显著更高的H₂O₂生成速率(386 μmol·L^-1·h^-1)和BA转化率(81%)。飞秒瞬态吸收光谱(fs-TA)结果说明，ZnO/CdIn₂S₄复合材料在光的激发下，在ZnO导带(CB)和CdIn₂S₄价带(VB)之间发生超快S型电子转移。此外，ZnO的VB空穴和CdIn₂S₄的CB电子的及时消耗，有助于加速ZnO/CdIn₂S₄ S型异质结界面中的电荷转移。本文中ZnO/CdIn₂S₄ S型光催化体系的创新设计为高效的双功能异质结光催化系统的开发提供了新的思路，并引入了一种利用fs-TA光谱研究S型异质结的新方法。

提高光生载流子的分离效率，进而显著增强光催化剂的氧化还原能力是光催化领域中的一个重大挑战。为了解决这一问题，本文通过水热法成功合成了CeO₂/Bi₁₉Br₃S₂₇ S型异质结催化剂，旨在提升催化剂的光催化性能。CeO₂/Bi₁₉Br₃S₂₇复合材料的合成不仅改善了光生载流子的分离效率，还赋予了催化剂更强的氧化还原能力和更大的驱动力，显著提升了其光催化表现。实验结果表明，CeO₂/Bi₁₉Br₃S₂₇复合催化剂在CO生成方面的产率达到了13.5 μmol g^-1 h^-1，远高于单一Bi₁₉Br₃S₂₇和CeO₂催化剂的产率，分别是单独Bi₁₉Br₃S₂₇和CeO₂催化剂的5.19倍和2.81倍。这一显著的提升表明，CeO₂/Bi₁₉Br₃S₂₇复合催化剂的光催化性能在CO生成反应中展现出了更强的催化能力。此外，CeO₂/Bi₁₉Br₃S₂₇催化剂在CH₄生成方面的产率为4.3 μmol g^-1 h^-1，较单独CeO₂催化剂高出3.1倍，较单独Bi₁₉Br₃S₂₇催化剂高出2.7倍，进一步证明了其在CH₄生成反应中的优越表现。这些结果表明，CeO₂/Bi₁₉Br₃S₂₇复合催化剂不仅在CO和CH₄生成速率方面表现出显著的提升，而且其优异的光催化性能表明其在光催化领域中的应用潜力。本研究为改进光生电荷分离效率提供了新的思路，并为未来开发高效光催化材料提供了有价值的参考。通过构建S型异质结结构，可以有效地抑制光生载流子的复合，提高光催化反应的效率，从而为可持续能源的利用提供了新的解决方案。

采用有机法和水热法合成了Cu-石墨炔和CoNiWO₄并构建Cu-石墨炔/CoNiWO₄ S型异质结。在保留催化剂强氧化还原能力的同时，通过内建电场和能带弯曲的协同作用促进了光生载流子的高效分离和转移。Cu-石墨炔的引入有效提高了复合催化剂的光吸收能力和导电性，抑制了光生载流子的复合。同时，Cu-石墨炔独特的二维平面网络结构提供了丰富的活性位点，从而促进了光催化反应的进行。密度泛函理论（DFT）计算表明，Cu的表面等离子体共振效应产生的热电子转移到石墨炔上，促进氢气的析出。本研究为Cu-石墨炔和镍钴基催化剂在光催化制氢领域提供了新的参考。

S型异质结可以实现光生载流子有效空间分离，保持较强的氧化还原能力。因此，深入了解S型异质结构的光致电荷转移动力学对提高其光催化性能至关重要。本文采用原位水热法制备了紧密接触的SnO₂/BiOBr S型异质结。优化后的SnO₂/BiOBr具有优异的光催化CO₂还原性能，CO和CH₄的产率分别为345.7和6.7 μmol·g^-1·h^-1，分别是纯BiOBr的5.6和3.7倍。利用原位XPS和飞秒瞬态吸收光谱(fs-TA)表征了SnO₂/BiOBr S型异质结的光致电荷转移机制和动力学。发现光生载流子出现了新的拟合寿命，这可归因于S型异质结的界面电子转移，进一步证明了光电子从SnO₂导带到BiOBr价带的超快转移通道。因此，BiOBr导带中的还原电子和SnO₂价带中的氧化空穴得以保留。本研究对S型异质结的光致电荷传输机理提供了更深刻的理解。