臭氧氧化净水技术作为一种安全高效的水污染处理技术被世界各国应用于不同领域的水处理工程中。然而随着水中污染物种类的日益复杂以及臭氧难降解有机物排放进入水循环系统浓度的日渐升高,需要寻求新的技术对传统臭氧氧化净水技术进一步强化,保障人民生活用水安全。非均相臭氧催化氧化技术作为一种潜在的高效安全可靠的高级氧化净水技术日益受到研究人员的关注,为了寻找和开发高效稳定安全的臭氧催化氧化材料,科研人员投入了大量的时间和精力,并取得了大量成果。本论文以从天然矿物中优选可能具有高效催化臭氧的催化材料的角度出发,寻找并优选出一系列催化臭氧效能较高的催化材料,再优选出其中几种进行详细的表征和催化活性的测试,通过结果分析并总结这些性能较好的催化材料的界面催化特性。随后以获得的结论和催化原理相结合归纳出人工设计臭氧催化材料的设计思路,并通过该设计思路制备一系列的人工合成臭氧催化材料,再优选出其中一种再进行详细的表征和催化活性的测试,根据获得的结果总结并完善人工设计臭氧催化材料设计方法和原理。通过对几种最简天然硅酸盐矿物:α-石英、β-方石英、天然轻质颗粒状石英砂(L-GQS)和石英玻璃进行初步表征和臭氧催化能力测试后,优选出L-GQS进行详细表征和臭氧催化效能的评价。表征结果表明L-GQS为α-石英、β-方石英以及痕量歪长石和羟基铁氧化物共同生长形成的混合晶体,表观形貌为长4 mm、厚1 mm的灰色片状物;对L-GQS的表面元素分布和价态,比表面积和孔容孔径、等电位点、内部原子结构与表面基团暴露进行了详细的测定,发现L-GQS表面含有丰富的表面羟基和Lewis酸性活性位。以莠去津(ATZ)作为目标物建立了半连续流L-GQS催化臭氧反应体系,结果表明与单独臭氧相比较,在温度293 K,p H=7.0时,L-GQS能显著提高ATZ的降解率和对应总有机碳(TOC)的去除率。随着反应p H或温度的升高,反应器转速的增大,L-GQS粒径的减小和投量的增大,L-GQS催化臭氧反应体系对ATZ的降解率和TOC的去除率也随之增高。当水中天然有机物背景浓度较高或在实际水中L-GQS去除ATZ的效率仍然稳定可靠。通过化学抑制法和电子顺磁共振法确定反应中起主要作用的是羟基自由基(OH?),主要的反应活性位为L-GQS表面一系列不同形态的Si-O键和少量Al-O键等表面金属原子键上对应的Br?nsted酸位和Lewis酸位,反应机理为活性位吸附臭氧并发生电子传递过程,使臭氧分解产生OH?。根据最简天然硅酸盐矿物表现出的臭氧催化活性,以寻找表面暴露过渡金属原子较多的天然矿物为出发点,选择几种典型的复合金属天然硅酸盐矿物:钙长石,透辉石,斜发沸石和铁电气石。进行初步表征和臭氧催化能力测试后,优选出铁电气石进行详细表征和臭氧催化效能的评价。采用与LGQS相同的表征手段以及建立静态臭氧催化体系考察对ATZ的去除效能。结果表明电气石主要由B,Fe,Al,Si以及O构成的骨架结构和Ca,Na,Fe进行配衡共同组成的三方晶系矿物。与最简天然硅酸盐矿物L-GQS相比,复合金属天然硅酸盐矿物铁电气石表面存在较多的Al-O键,Si-O键和Fe-O键,对应的Br?nsted酸位和Lewis酸位的数量和酸性的强度均高于L-GQS,并且表面存在Fe2+/Fe3+多价态电子循环途径,因此铁电气石具有比L-GQS更强的臭氧分解能力,催化臭氧降解ATZ的效能也更加稳定,尤其是在低温状态下(278K),铁电气石催化臭氧对ATZ的降解能力突显。对本文中ATZ的降解产物进行了分析,推导出可能的产物降解路径,发光细菌生物毒性实验证明反应后的溶液由于ATZ的脱氯和断键从而毒性较低。再通过研究优选出的天然硅酸盐臭氧催化材料所获得的经验结合催化设计原理,设计并成功制备了钛酸(铁,锰)二元金属氧化物催化材料,并对其中的钛酸锰进行了详细表征和催化臭氧降解对氯苯酚的效能研究。结果表明钛酸锰表面暴露的Mn和Ti金属原子形成的化学键贡献了主要的总酸位和中强Lewis酸位,表面存在的Mn多价态电子循环途径也加速了臭氧的分解,从而使得钛酸锰催化臭氧发生电子转移并分解的活性较强。此外,通过人工设计钛酸锰的制备思路研究了钛酸锰晶体结构,晶型,表面高能晶面暴露比和比表面积等一系列因素对催化臭氧效能和稳定性的影响,总结并丰富了人工设计臭氧催化材料的方法和原理。优化后所制备的钛酸锰六边形纳米片臭氧催化活性和稳定性均较高,能够分解臭氧并生成1O 2,O2?-和OH?等氧活性物种。本文所优选的天然硅酸盐矿物和人工设计合成的钛酸(铁,锰)二元金属氧化物催化材料对难降解有机物或高浓度有机物的降解去除效果优异,提出的臭氧催化材料选择设计原理对新型臭氧催化材料的找寻和研发具有一定的指导意义。