环境污染和能源短缺是21世纪人类可持续发展面临的两大严峻的挑战。太阳能作为一种清洁、廉价的可再生能源,再加上取之不尽用之不竭等优点,因此,被认为是最理想的可利用能源。能够实现对太阳能高效快捷地的利用、转化和存储是人们不断努力的目标。半导体光催化技术可以利用太阳能进行化学转化和存储,通过降解有机污染物和自洁净表面技术,实现对环境污染的治理；而光催化分解水,可以产生可再生能源氢能,是解决化石能源短缺和枯竭的有效途径,因此,光催化技术将成为解决能源与环境的重压手段之一。半导体材料可以吸收能量等于或大于其带隙(E=1240/λ)的太阳能,从而价带上的电子被激发,跃迁到导带,同时在价带产生空穴。光生电子和空穴分别与电子、空穴捕获剂发生反应,产生具有高活性的自由基,达到氧化有机污染物、光解水产氢以及还原CO2的目的。光催化材料一般具有以下特点：(1)化学性质稳定；(2)可以吸收太阳光中的紫外光、可见光以及红外光部分；(3)具有高的活性；(4)环境友好,没有毒性。影响半导体光催化材料性能的主要因素有两个：光吸收范围窄和载流子分离效率低。拓展光催化材料的光吸收范围,实现对太阳光的高效利用,使光催化材料可以产生更多的光生电子和空穴；而光催化材料的载流子分离效率高,就会具备较高的量子效率,更多的光生电子和空穴可以更高效地发生光催化反应。因此,探索新型的半导体材料,具有重要的现实和战略意义。半导体材料的结构与光催化性能的关系密不可分。半导体材料的微观形貌、颗粒大小以及颗粒自组装方式等微观结构,会对半导体材料的比表面积和反应活性位点产生影响,从而影响半导体材料的光催化性能。此外,元素原子的原子结构(包括核电荷数和核外电子排布等)也可以影响原子核对核外电子的吸引力,对光生电子的迁移造成影响,从而使得具有相似结构的半导体材料表现出不同的光催化性能；二维材料因具有独特的二维层状结构以及较大的比表面积,可以促进光生电子和空穴在层间进行迁移,有利于抑制载流子的复合,可以在一定程度上提高材料的光催化性能。2004年,英国曼彻斯特大学的Geim等科学家首次报道了可以从石墨上可以成功剥离出单层的石墨片即石墨烯。从此,二维材料因其具有特殊的电子在结构以及极高的比表面积,引起国内外研究学者的极大兴趣与广泛关注,是继富勒烯和碳纳米管之后又一新型的单质碳材料,而且碳材料的维度结构体系因此得以完善。石墨烯的基本结构单元是由稳定的碳六元环组成,其中碳原子以sp2杂化相连接,并通过强的。键和相对较弱的π键作用与其他邻近的碳原子连接,具有周期性的蜂巢状的点阵结构。此外,石墨烯是一种能带带隙为零的半导体,其价带上的π电子和导带上的π*电子在费米能级位置K和K’处相交,而且,石墨烯中的电子运动速度非常快,达到了光速的1/300。石墨烯因拥有特殊的电子结构,导致了许多奇特的电学性质,例如电子-空穴对现象、双极性电场效应、高的载流子迁移率以及永不消失的电导率等。此外,石墨烯还表现出了优异的化学性能、光学性能、热学性质以及力学性能。因此,以石墨烯为代表的其他新兴二维材料,包括过渡金属硫化物、氮化硼、过渡金属氧化物等已经被广泛地应用于光催化领域,已经成为了新的研究热点。锗基化合物是一类新型的二维层状光催化材料。在1915年,科学家们首次发现了锗的半导体特性。锗(Ge)作为一种优良的半导体材料,属于第IVA元素,具有极高的载流子迁移率,其被预测为取代硅的最具潜力的半导体材料。二维锗基化合物具有较窄的带隙(1.5-1.7eV之间),可以大范围地吸收可见光。而且锗基层状材料的基本结构为锗原子层和基团原子层叠加而形成的二维层状结构,有利于光生电子和空穴在层间的迁移以及被层间的水分子所捕获,可以有效地使载流子得到有效地分离,从而抑制光生电子和空穴的复合,有利于提高材料的光催化性能。因此研究二维锗基化合物的光催化性能,具有十分重要的战略意义,本论文研究报道了二维锗基化合物在光催化领域的应用。并且通过研究发现,与GeH相比,GeCH3因其具有更大的比表面积以及更大的层间距,使得其催化反应活性位点增加,能够促进光生载流子可以更快有效地进行传输和迁移,再加上,GeCH3比GeH具有更好的热力学稳定性,从而使得GeCH3与GeH相比表现出了更高的光催化活性。本论文从探索新型二维光催化材料入手,研究了二维锗基化合物的光催化性能。具体的研究内容分为六章：第一章是半导体光催化的简介以及二维层状光催化材料的探索。首先介绍了半导体光催化的基本概念,通过光催化原理分析了光催化过程中存在的主要问题,总结了光催化技术的应用和研究进展,主要应用于光催化降解有机污染物、光催化分解水、还原二氧化碳等方面。影响光催化性能主要有两个关键因素,一是拓展光催化材料的光响应范围,二是抑制光生电子-空穴的复合。通过探索寻找新型的光催化材料,应用于光催化领域,提高光催化性能。讨论了二维层状材料的基本结构和应用以及锗基层状材料(GeH和GeCH3)的结构和研究进展。最后介绍了一下本论文的选题意义及研究内容。第二章是二维锗基层状光催化材料GeH合成方法探索。首先通过两种方法合成前驱体CaGe2,分别是助熔剂熔融法和高温感应熔炼法。采用助熔剂熔融法时,分析了助熔剂的比例、合成生长温度以及降温速率对合成前驱体CaGe2结构的影响。改进合成方法之后,分析了高温感应熔炼法中反应物比例、合成温度以及合成时间对合成前驱体CaGe2结构的影响。最终找到了快速合成前驱体CaGe2的有效方法。第二步,通过离子交换的方法合成具有二维结构的GeH样品,通过方法的改进,分别分析了合成时间对GeH样品结构的影响。通过X射线衍射图谱(XRD)分析了GeH样品的物相,运用面间距计算公式和布拉格方程得出GeH各个晶面的晶面间距以及相对应的衍射角。通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析了GeH样品的微观形貌,发现GeH样品是由厚度不等的层状结构堆叠而成。同时,对GeH样品进行了X射线光电子能谱分析(XPS)、拉曼光谱(Raman spectra)以及傅里叶变换红外光谱(FTIR)等测试分析,进一步证明了合成样品具有很高的纯度。研究发现,采用高温熔炼法合成前驱体CaGe2结合常温下的离子交换法合成GeH,大大地缩短了合成实验的反应时间,而且保留了样品的本征形貌。第三章是二维锗基层状化合物GeH光催化性质的研究。对合成的GeH样品的光催化性能通过室温下光催化降解有机染料罗丹明-B以及光催化分解水产氢来表征,同时分别对合成的GeH样品进行了10次循环降解罗丹明-B溶液以及3次循环光催化产氢实验,验证了GeH样品的光催化性能稳定性。通过测试GeH样品的Zeta电位和粒径分布,研究了样品表面的带电位。合成的GeH样品的光学性能用紫外-可见-近红外漫反射谱(UV-Vis-NIR diffuse reflectance spectra)来表征。通过分析GeH样品的比表面积,研究了影响其光催化性能的因素。运用密度泛函理论(DFT)计算了GeH样品的能带结构,进一步探索了其在可见光照射下光生载流子的迁移过程。第四章是二维锗基层状化合物GeCH3的合成以及光催化性质的研究。首先探索了GeCH3样品的合成方法。首先通过感应熔炼法合成前驱体CaGe3样品,通过接触式的离子交换方法的改良,我们采用了快速搅拌达到了离子交换的目的。通过方法的改进,分析了合成时间对GeCH3样品结构的影响。通过X射线衍射图谱(XRD)分析了GeCH3样品的物相,运用面间距计算公式和布拉格方程得出GeCH3各个晶面的晶面间距和相对应的衍射角。通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析了GeCH3样品的形貌,发现GeCH3样品是由厚度不等的层状结构堆叠而成。同时,对GeCH3样品进行了X射线光电子能谱分析(XPS)、拉曼光谱(Raman spectra)以及傅里叶变换红外光谱(FTIR)等测试分析,进一步证明了合成样品具有很高的纯度。研究发现,采用高温熔炼法合成前驱体CaGe3结合快速搅拌的方法合成GeCH3样品,大大地缩短了合成样品的反应时间,而且保留了GeCH3样品的本征形貌。对合成的GeCH3样品的光催化性能通过室温下光催化降解有机染料罗丹明-B以及光催化分解水产氢来表征,同时分别对合成的GeCH3样品样品进行了10次循环降解罗丹明-B溶液以及3次循环光催化产氢实验,验证了GeCH3样品的光催化性能稳定性。通过测试GeCH3样品的Zeta电位和粒径分布,研究了样品表面的带电位,进而分析了GeCH3样品对常见几种有机染料吸附的现象。合成的GeCH3样品的光学性能用紫外-可见-近红外漫反射谱(UV-Vis-NIR diffuse reflectance spectra)来表征。通过分析GeCH3样品的比表面积,研究了影响其光催化性能的可能因素。运用密度泛函理论计算了GeCH3样品的能带结构,进一步探索了GeCH3在可见光下的光催化反应机理。第五章是二维锗基层状化合物对氨硼烷产氢性质的研究。首先,对合成的GeH和GeCH3样品在避光条件下以及可见光(λ≥420nm)照射下催化氨硼烷脱氢。为了表征GeH和GeCH3样品的催化性能稳定性,分别进行了3次在可见光(λ≥420nm)照射下催化氨硼烷脱氢的对比实验。为了验证光热反应对氨硼烷脱氢反应的影响,我们还分别进行了在室温(25℃)下以及40℃下GeH和GeCH3样品催化氨硼烷脱氢的对比实验。实验结果表明,GeH和GeCH3样品催化氨硼烷脱氢只有一小部分(16%-21%)来自于光热的影响。此外,为了探索氨硼烷脱氢的原理,我们还以NaHCO3为正电荷捕获剂,研究了GeCH3样品催化氨硼烷脱氢的机理。第六章是总结与展望。对本论文的主要研究工作内容以及得出的具体结论进行了分析和总结；对本论文工作的创新点进行总结,提出了新方法和新观点；最后,对研究过程中存在的主要问题进行了分析和总结,并对下一步工作的主要研究方向和内容进行了展望。总之,本论文主要围绕探索新型二维层状光催化材料展开,研究了锗基化合物的合成路线和改进方法,及其在可见光下的光催化性能。逐步采用助熔剂熔融法和感应熔炼法法合成了前驱体CaGe2.下一步通过离子交换的方法,合成了具有二维层状结构的GeH和GeCH3样品。通过X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)以及傅里叶变换红外光谱(FTIR)等测试方法表征了合成GeH和GeCH3样品的微观结构和化合价态；通过紫外-可见-近红外漫反射光谱表征了合成GeH和GeCH3样品的光吸收性能；通过降解各种有机污染物、分解水产氢以及催化NH3BH3脱氢来表征合成GeH和GeCH3样品的光催化性能。研究了GeH和GeCH3样品的形貌、Zeta电位、孔径分布、比表面积以及能带结构等因素对材料光催化性能的影响,并总结了与GeH相比,GeCH3表现出更高的光催化活性的原因。本论文的研究工作有助于深入理解二维层状光催化材料的基本原理。探索新型二维光催化材料,拓展光吸收范围,提高光催化活性,对于解决能源与环境两大世界性问题具有重要的理论和现实意义。