随着社会经济的不断发展和进步,能源和环境问题日益加剧已经成为制约社会经济发展和影响人类健康的关键。太阳能具有储量丰富、洁净安全、经济环保的特点,发展前景十分广阔。目前,太阳能主要应用于照明、供暖、光伏发电领域。近年来,利用太阳能半导体光催化技术能够将太阳光转化为化学能来有效去除环境中有毒有害的有机污染物,并逐渐成为太阳能转化和利用的新方式,受到国内外学者的广泛关注和深入研究。受到太阳光激发后,半导体光催化剂周围的H2O和O2分子强化转化为极具氧化能力的自由基或负离子,并用于降解有机污染物。目前,人们已经开发出大量具有不同功能、组成的半导体光催化剂。然而,单一半导体光催化剂光响应范围窄、量子效率低、活性位点不足导致这些光催化剂活性不高,难以投入实际应用。因此,开发具有可见光响应的异质结构光催化体系来提高单一半导体光催化剂的光能利用率和光催化活性意义重大。本文旨在研究几种具有可见光响应的异质光催化剂的合成过程、光催化反应机理及其降解环境污染物(如抗生素、染料废水)活性研究。利用X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM) X射线光电波谱(XPS),UV-vis漫反射谱图(DRS),荧光(PL),电化学阻抗(EIS),电子自旋共振(ESR)对合成异质光催化剂的结构、组成、形貌、光电性能及反应活性组分进行测试和研究。研究所制备的异质结光催化反应过程中光生电子-空穴的分离、迁移机制及光催化机理。主要研究内容如下:1.等离子体异质结光催化体系的构筑及其降解抗生素性能研究(1)利用水热法和光沉积法制备了银纳米颗粒修饰纳米立方状的钛酸锶。制备的银/钛酸锶(Ag-STO)异质结在可见光照射下能够高效降解TC (～42%,1小时),当银沉积过程中硝酸银溶液浓度为8 mM时,得到的样品具有最佳光催活性。这种可见光活性的提升是由于银纳米颗粒的等离子体共振效应。同时,探讨了这种Ag-STO光催化剂的光催化反应机理。金属纳米颗粒表面修饰宽能带半导体能够显著提升其可见光吸收和光催化活性。(2)利用阴离子交换反应和光还原法制备了 Ag/AgCl/AgBi(Mo04)2异质光催化剂。采用这种方法得到的样品具有增大的比表面积,光催化降解TC的活性显著提升。其中,表面的银纳米颗粒能够有效增加光催化反应过程中电荷的迁移与分离过程,Ag/AgCl的浓度能够通过调节Cl-离子的用量来控制。此外,基于能带结构的分析和活性组分的捕获实验结果,探讨了这种光催化体系的光催化反应机理。(3)通过沉积法来制备了 AgBr/AgIn(MoO4)2复合材料并通过原位的光还原过程来制备Ag/AgBr负载AgIn(MoO4)2纳米片。在可见光照射下,由于银纳米晶的表面等离子体共振效应,这种Ag/AgBr/AgIn(MoO4)2复合材料对可见光具有很强的吸收。与纯AgIn(MoO4)2纳米片,Ag/AgBr纳米颗粒和Ag/AgIn(MoO4)2复合材料相比,Ag/AgBr/AgIn(MoO4)2复合材料光催化降解TC的活性显著提升。这种光催化活性的巨大提高是由于可见光吸收增强和有效的电荷分离以及等离子体共振效应(SPR)和Ag/AgBr/AgIn(MoO4)2异质结构的协同作用。2.硫化镉/半导体异质结光催剂的制备及其光催化降解染料分子(1)通过温和的水热法合成了 CdS/CoWO4异质光催化剂。与纯CdS和CoWO4相比,这种CdS/CoWO4异质光催化剂对亚甲基蓝(MB)的降解活性显著增加。特别是当CdS: CoWO4的比例控制在3:5时得到的样品在所有样品中具有最高的光催化降解活性(83%,1 h),分别是纯CdS和CoWO4的3倍和8倍。这种CdS/CoWO4光催化活性的显著提升归功于异质结构对电子和空穴对的有效分离以及对可见光的强吸收。(2) CdS/MnW04异质结作为一种高效的光催化剂被用来在可见光照射下降解MB和甲基紫(MV )。CdS/MnWO4中CdS含量分别为0.3 mmol和0.5 mmol时的样品分别对MB和MV表现出最高的降解活性。这种光催化活性的显著提升是由于异质结构中高效的电子空穴对分离和CdS对可见光的强吸收。通过自由基捕获实验来探究降解MB时产生的活性组分。此外,经过五次循环实验研究了这种催化剂的可重复利用性。3.Bi12O15Cl6基异质光催化剂的制备及其光催化去除抗生素(1)考虑到石墨烯的高载流子迁移能力,通过简便的光还原法制备了一系列的rGO/Bi12O15C16光催化剂来提升Bi12O15Cl6的电荷分离效率。特别是3%rGO样品对TC具有最高的光催化降解活性。这种rGO/Bi12O15Cl6异质结的光催化活性提升是由于由于对可见光的强吸收和光生电子-空穴对的快速分离。基于荧光和自由基捕获实验的结果提出了可能的光催化反应机理。(2 )利用Bi12O15Cl6作为模板通过离子交换法制备了一系列的Bi2S3/Bi12O15Cl6异质光催化剂。通过调节反应中硫脲的用量来控制Bi2S3/Bi12O15Cl6的组成。利用可见光照射下降解TC实验来考察制备的样品的光催化活性。实验结果表明,硫脲用量为0.04 mmol时得到的样品与纯Bi2S3和Bi12015Cl6样品相比具有明显的降解活性提升(分别为69%和36.7%)。自由基的捕获测试结果表明·O2-是降解TC的主要活性组分,空穴在光降解过程中也起到一定作用。(3)通过Bi12O15Cl6和VO3-之间的原位离子交换反应被成功制备了 Z型Bi12O15Cl6/BiVO4异质光催化剂。与纯Bi12O15Cl6和BiV04相比,这种Bi12O15Cl6/BiVC4异质结具有显著增加的光催化活性。此外,利用0.2 mmol V03-和0.05 mmol Bi12O15Cl6制备的样品光照60 min后具有最佳的光催化降解TC活性(90%)。基于光电流和电化学阻抗(EIS)结果的进一步研究表明,这种催化活性的显著提升是由于Bi12O15Cl6/BiVO4异质结高效的电荷载流子的迁移和分离。活性组分的捕获实验和ESR实验表明超氧自由基和空穴是光催化过程中主要的活性组分。