光催化(Photocatal ysis)是一种基于光能资源的绿色催化技术,能够有效利用太阳能实现污染物去除及资源化,且绿色无污染,在环境及能源领域有着广阔的应用前景。尖晶石金属氧化物半导体纳米材料以其稳定的结构、多变的性质、低廉的价格、绿色环保等特点,在光催化领域受到国内外研究人员的广泛关注。通过对尖晶石金属氧化物微观形貌及电子态结构的合理调控,深入探究其微纳性质与光催化活性之间的构效关系,对于光催化技术在环境污染控制领域的应用具有重要意义。因此,本论文从晶面调控、元素掺杂、微观形貌优化及多组分复合等方面对材料进行表/界面修饰改性,制备出具有不同功能性的尖晶石金属氧化物纳米材料,讨论了改性手段对其光催化性能的影响,并结合原位红外光谱分析技术及密度泛函理论计算等手段,研究了催化反应机理及内在活性增强机制。主要的研究发现如下:(1)通过水热法制备了一系列ZnFe2O4纳米颗粒,考察了不同晶面暴露对其可见光催化降解气相甲苯性能的影响。研究发现{001}和{111}晶面共同暴露的切角八面体ZnFe2O4纳米颗粒对气相甲苯表现出最佳的降解效果,甲苯降解率可达到65%:相对于单一{001}、{111}晶面暴露的ZnFe2O4纳米颗粒,在动力学反应速率方面分别提升了1.32倍和1.51倍。理论计算、光沉积和电子顺磁共振捕获自由基等实验结果表明ZnFe2O4光催化剂的{001}和{111}晶面之间能够形成表面晶面节,促进了光生载流子的迁移,协同{001}晶面催化转化特性,在反应中产生了丰富的·O2-和·OH物种,改善了材料的光催化降解性能。(2)采用原位掺杂溶剂热法制备了碳氮共掺杂的卵黄壳结构ZnFe2O4光催化剂,光谱表征和理论计算表明,碳氮元素的掺杂增强了材料对可见光的吸收、促进了反应中光生载流子的迁移并抑制了电子-空穴对的复合。以气相邻二氯苯为目标污染物,考察了不同碳氮源添加量和煅烧速率对光催化剂活性的影响,发现最佳条件下催化剂对气相气相邻二氯苯降解率能够达到60%。利用原位红外光谱技术揭示了气相邻二氯苯降解经历了亲核取代、氧化开环、转化成乙酸盐和甲酸盐等小分子及部分矿化成H2O和CO2等步骤,而电子顺磁共振自由基捕获实验表明了·O2-和·OH为反应过程中的活性物种。(3)采用分步水热法制备了碳点修饰的卵黄壳结构ZnFe2O4复合光催化剂,将碳点修饰于ZnFe2O4卵黄壳结构外表面,能够有效促进催化剂在可见光范围内的吸收,改善光生电子的迁移,减小电子-空穴对的复合机率。差分电荷密度理论计算结果表明碳点和ZnFe2O4界面之间存在着强烈的电荷相互作用,能够驱动光生电子从ZnFe2O4迁移至碳点,形成快速迁移路径。该催化剂在最佳光催化反应条件下,对气相邻二氯苯的降解率可达到74%。另外,采用原位红外光谱技术探究了降解过程中的瞬态物种变化及其迁移/转化路径。电子顺磁共振自由基捕获实验结果表明,·02-和.OH物种均参与到光催化降解反应过程中,且前者为主要的活性氧物种。(4)通过溶剂热法制备了具有2D纳米片/3D微米花分级结构的CuCo2O4尖晶石氧化物催化剂,采用高温加压原位拓扑转化的策略实现了硫元素由表面到内部的梯度掺杂,形成连续弯曲“反量子井”型能带结构,有效地加速了光生电子-空穴的分离和迁移过程。硫元素的掺杂并不会破坏原催化剂的2D/3D分级结构,低温电子顺磁共振结果表明,Grad-S-CuCo2O4样品中存在着氧空位缺陷态。在最佳光催化还原CO2反应条件下,Grad-S-CuCo2O4催化剂光催化还原产物CO的量可达181 μmol,其活性是未进行硫掺杂CuCo2O4催化剂的5.0倍,CO/H2选择性也提升了 1.95倍,并保持良好的稳定性/可循环性。(5)通过碳球软模板阳离子吸附-煅烧法制备了一系列CoMnOx空心纳米球尖晶石氧化物催化剂。理论计算发现Co掺杂能够加强MnO6单元的J-T畸变,促进电子的离域化过程,有利于提升材料的催化活性。将光催化技术和PMS活化高级氧化技术进行耦合,考察了不同的反应条件、催化剂样品对水中抗生素诺氟沙星降解性能的影响。实验结果表明,耦合体系对诺氟沙星的降解效率分别是单一光催化技术及过一硫酸氢钾活化技术的18.8倍和1.4倍。在最佳反应条件下,CoMnOx催化剂在耦合体系中对诺氟沙星降解率可达94%,且多次循环后依旧保持良好的催化稳定性。高效液相-质谱结果表明,诺氟沙星降解主要经历路径为哌嗪环转化、脱氟、去羧基反应及羟基化反应过程,淬灭实验和EPR结果证实了SO4·-是降解过程中的主要活性物种。