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当今社会,能源短缺和环境污染已成为人类亟待解决的两大问题。自二十世纪七十年代Fujishima开创性地将TiO2应用于光电化学分解水反应以来,能够利用太阳能的半导体多相催化技术已被认为是一种能够高效地解决环境污染和能源问题的绿色环保节能策略。然而,半导体催化剂对可见光利用率低、光生电子和空穴分离效率低成为了制约光催化反应活性的两大因素。因此,开发与利用具有优良的可见光催化性能的光催化体系是利用太阳能解决上述问题的关键。本论文以锡基和铋基半导体为研究对象,通过对半导体的表面和电子结构调控达到开发高活性可见光催化剂的目的。深入探讨了光催化剂的组成、表面性质、电子结构以及电荷转移动力学对光催化分解水产氢和降解污染物性能的影响。具体研究内容如下:（1）设计合成了两种晶相结构的铌酸亚锡光催化剂（SnNb2O6和Sn2Nb2O7）,探究了晶相结构和电子结构对电荷转移动力学和光催化性能的影响。研究发现,相结构从SnNb2O6转变为Sn2Nb2O7伴随着粒径和带边势的变化。测试结果表明电子结构的变化对催化剂的电荷分离、电子转移速率以及随后的光催化活性具有巨大的影响。光催化测试表明SnNb2O6与Sn2Nb2O7相比在光催化降解甲基橙分解水产氢方面具有较高的活性。通过X-射线光电子能谱分析可知,Sn2Nb2O7光催化降低的主要原因可能是Sn4+的存在。基于电子磁旋共振和捕获实验结果,光生空穴以及随后产生的超氧自由基和羟基自由基是光催化降解甲基橙反应中主要的活性物种。（2）设计合成了具有结构无序度可调控的短程有序型SnNbxOy光催化剂,揭示了无序型材料光催化活性增强的根本原因。同步辐射X射线广角散射（SR-WAXS）和透射电镜（TEM）测定了所制备催化剂的无序性以及可控的短程有序性特征。结合紫外-可见漫反射光谱（DRS）、价带X-射线光电子能谱（VB-XPS）以及密度泛函理论计算（DFT）可知,无序型结构具有较宽的带隙以及较正的价带边,从而赋予催化剂较强的氧化能力。此外,瞬态吸收光谱和电子磁旋共振光谱测试结果表明光催化活性的提高主要源自大量的缺陷中心可以作为电荷捕获中心促进了光生电荷的有效分离以及电荷快速转移。光催化测试表明短程有序型催化剂最优的光催化产氢性能较相应的晶相催化剂提高了约11倍。（3）设计合成了一系列Bi2Sn2O7光催化剂,通过调控锡的电荷价态对其缺陷化学和电子结构进行了调控,提高了光催化选择性氧化苯甲醇性能。氧缺陷（OVs）,有助于促进催化剂表面对氧分子的吸附和活化。同时,氧缺陷含量较高的Bi2Sn2O7的价带边呈现明显的下降趋势,因此提高了催化剂的光催化氧化的热力学驱动力。此外,表面光电压和光电化学测试表明氧缺陷的存在有利于提高光生载流子的分离效率,促进光催化反应。通过对电子结构和缺陷化学的优化,光催化选择性氧化苯甲醇的最优转化效率为76.0%,对苯甲醛的选择性约为100%。光催化机理研究表明光生空穴和超氧自由基在光催化氧化苯甲醇反应过程中起到了至关重要的作用。（4）通过引入氰基和尿素基团对石墨氮化碳的形貌、电子带结构以及表面性质进行了调控,对g-C3N4的光催化性能进行了优化。缺陷型氮化碳（HCN）与体相g-C3N4相比其能带边发生下移,使得HCN与Sn2Nb2O7具有良好的带结构匹配性。因此,选择具有较优异光催化活性的HCN与Sn2Nb2O7结合构建了II型Sn2Nb2O7/g-C3N4光催化剂,改善了Sn2Nb2O7光催化活性。X-射线光电子能谱（XPS）结果表明Sn2Nb2O7与g-C3N4之间具有较强的相互作用。Sn2Nb2O7/g-C3N4异质结光催化剂中电子和空穴分别聚集在g-C3N4的导带和Sn2Nb2O7的价带上,进而促进了光生载流子的分离以及转移,使得光催化活性得到了提升。Sn2Nb2O7/g-C3N4最优的光催化降解土霉素性能分别是纯相Sn2Nb2O7和g-C3N4的1.6和2.19倍。（5）设计合成了直接Z-型SnO2/Bi2Sn2O7异质结光催化剂,旨在通过促进光催化剂中光生电子和空穴的分离,改善Bi2Sn2O7的光催化活性。Z-型异质结的形成使得光生电子和空穴分别聚集在Bi2Sn2O7导带和SnO2价带上,保留了较高的光催化还原和氧化能力。SnO2/Bi2Sn2O7异质结具有较优异的光催化降解抗生素活性,主要源于空间上光生载流子的有效分离以及快速的电荷转移。此外,SnO2/Bi2Sn2O7异质结催化剂具有良好的稳定性,三次循环后样品的晶相、形貌以及元素价态并没有发生明显的变化。（6）设计合成了一种新型的直接Z-型CuBi2O4/BiOBr异质结光催化剂,研究了其吸附和光催化协同处理抗生素污染物的性能。以四环素为研究对象发现CuBi2O4/BiOBr的吸附能力随溶液pH值和反应温度变化而变化。四环素的吸附动力学符合准二次和Elovich动力学模型,同时热力学符合Freundich等温线模型。此外,吸附热力学分析表明,CuBi2O4/BiOBr对四环素的吸附是一个自发和吸热的反应。CuBi2O4/BiOBr的吸附能力分别是CuBi2O4和BiOBr的6.3和4.2倍。CuBi2O4和BiOBr的结合可以对表面性能以及界面相互作用进行了调节,获得了直接Z-型电荷动力学,提高了半导体的光催化活性。CuBi2O4/BiOBr最优的光催化降解效率分别是CuBi2O4和BiOBr的5倍和1.5倍。采用总有机碳含量分析和液质联用技术对四环素降解的矿化过程和中间产物进行了分析,提出了四环素降解的转化路径和光催化机理。自由基捕获实验和电子磁旋共振测试结果表明光生空穴和超氧自由基在光催化四环素分解过程中起着关键性作用。