抗生素在医疗、畜禽养殖等行业的过度使用导致其在市政污水、自然水体甚至饮用水中大量残留,严重威胁着生态平衡和人类健康。光催化氧化技术被认为是一种绿色、清洁、有前景的抗生素污染治理策略,研发设计高效的可见光催化剂对于催化降解抗生素具有重要意义。非金属类石墨相氮化碳（Graphitic carbon nitride,g-C3N4）拥有合适的带隙、二维的片层结构及优越的化学稳定性和热稳定性,被视为极具应用前景的可见光催化剂。然而,由于g-C3N4是由碳原子和氮原子通过sp~2杂化组成的π共轭体系,其光生电子可在共轭芳香环组成的平面内通过π键随机转移,导致光生电子和空穴的复合,从而造成氧化效能具有强烈的局限性。本研究以实现电子局域化,克服g-C3N4光生电子-空穴的快速重组为主要策略,提出了“共聚掺杂”及“缺陷修饰”两种有效途径,构建了系列高性能g-C3N4光催化材料。通过表征分析和理论模拟揭示了不同改性策略对光生电子传输、能带结构、及光催化氧化性能的影响机制。为进一步突破g-C3N4基材料的氧化效能有限及难回收的研究瓶颈,本研究提出了两种可行性较强的体系优化方案:（1）架构了过硫酸盐协同氧化体系,大幅度提升了氧化效能并揭示了界面反应机制;（2）构建了具有高通量、自清洁、抗污染等优越功能性的g-C3N4基光催化复合膜,克服了粉末状材料难利用的缺点,并首次阐明了g-C3N4基光催化材料与膜基质的微观相互作用机制,推动了g-C3N4基光催化材料在水体净化领域的实际应用。具体研究内容如下:（1）以电子局域化为目标的氮化碳基光催化材料性能调控机制本研究通过绿色、便捷、低成本的一步热聚合法,成功制备了桥接三唑环型g-C3N4（NCN）、引入氮缺陷型g-C3N4（DCN）和引入碳缺陷型g-C3N4（CCN）三种不同的改性g-C3N4基光催化材料,均实现了“电子局域化”目标,提升了氧化性能。首先,NCN的电子自旋共振（Electron Spin Resonance,ESR）和电子局域化函数结果分析表明,三唑环作为吸电子基团促使位于共轭芳香环中的孤立价电子离域并向其集中,抑制了光生电子与空穴的再复合;第二,DCN的ESR和差分电荷密度（Deformation Charge Density,DCD）结果表明,引入氮空位(N2C)促使了其相邻碳原子遗留的不成对电子及共轭体系中的其它电子易通过非辐射跃迁方式迅速在缺陷位实现局域化状态,有利于空间电荷分离提升光催化活性;第三,CCN的光致发光光谱和DCD结果显示,引入碳空位（C-（N）3）后,共轭芳香环中孤立价电子倾向于局限在相邻三个N原子的中心区域形成“电子陷阱”,该电子局域的形成有利于还原位点和氧化位点的分离,驱动了电子和空穴参与表面反应。综上所述,三种不同的“电子局域化”改性策略均达成了提升氧化效能的目标,并揭示了g-C3N4基光催化材料的性能调控机制中的关键技术要点。（2）改性氮化碳基光催化材料协同过硫酸盐氧化机制为提升g-C3N4基光催化材料的氧化效能,本研究利用上述改性g-C3N4基光催化材料架构了光催化协同过硫酸盐‘1+1＞2’的氧化体系,即体系优化方案一。首先,通过对比不同的改性g-C3N4基光催化材料活化PS效能差异,结果表明PS/CCN体系对抗生素的氧化降解尤为强烈。经ESR检测及分子模拟理论计算,清晰地阐明了该协同氧化体系内的自由基转化机制和电子转移机制,其中PS/CCN体系吸附能最大（-18.340 e V）,同时过氧键拉伸强度最强（1.496?～1.519?）。因此,进一步证实了光催化协同氧化体系的有效性,以及CCN中的“电子陷阱”对过硫酸盐的活化起着关键性的作用。（3）改性氮化碳基光催化材料耦合功能性复合膜作用机制为克服g-C3N4基光催化材料难回收利用的问题,本研究采用相转化法将上述改性g-C3N4基光催化材料与聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene fluoride,PVDF）组合构建了系列光催化功能性复合膜,即体系优化方案二。首先,含有光催化剂的复合膜在光照射下可原位降解吸附在膜表面和膜孔中的污染物,从而改善膜的抗污染性。第二,通过抗生素氧化降解动力学考察证实光催化复合膜保留了良好的催化活性,同时将纯水通量从179.3 L m-2 h-1提升至326.4 L m-2 h-1,不可逆污染由36.9%降至9.2%。本研究系统分析了g-C3N4基光催化材料物理化学性质的变化对复合膜孔径分布、渗透性和滞留率的影响机制。首次通过约化密度梯度分析揭示了g-C3N4与PVDF之间存在的非共价相互作用,该作用在催化剂在铸膜液中的均匀分散扮演着重要的角色,从而形成规律的孔隙结构并改善膜的机械强度,进一步证实了在光催化功能性复合膜的构建过程中,催化剂的结构设计和性能调控具有重要意义。本研究为突破g-C3N4/PVDF光催化复合膜在废水处理中的实际应用屏障起到了极大的推动作用。图72幅,表20个,参考文献208篇。