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随着我国工业化、城市化进程的不断推进，环境污染问题日益突出，已经成为限制经济发展的重要因素。近年来，以半导体为基础的光催化技术为解决环境污染提供了一条高效、节能、环保的途径，引起了人们的广泛关注。然而，大多数半导体光催化材料的光谱响应范围窄，光利用率低，稳定性差，限制了其应用。因此，如何针对这些缺点对催化剂进行改性，获得更好的光催化活性和稳定性成为了光催化领域的研究热点。本研究围绕TiO2及铋系光催化材料，采用晶面调控、贵金属负载、半导体复合等改性方法对催化剂的表界面进行了调控，提高了所制备的光催化剂的光谱响应范围，促进了光生电子和空穴的分离，从而大大改善了催化剂的光催化性能。本文的主要研究内容如下：
（1）采用水热法合成了暴露{001}晶面的锐钛矿TiO2微球，并通过控制水热反应条件研究了暴露{001}晶面的TiO2晶体的生长及其{001}晶面的刻蚀过程。然后，通过还原沉积的方法将贵金属Pt负载在暴露{001}晶面的TiO2微球表面，使用多种表征方法研究了样品的组成、形貌及其光吸收性能，并以甲醛气体作为光催化降解的目标污染物，研究了Pt-{001}-TiO2材料的可见光催化活性和稳定性。实验结果表明，Pt-{001}-TiO2光催化材料对甲醛的光催化降解活性远高于普通TiO2和Pt-P25光催化材料，并且在四次循环后仍有较强的可见光催化活性。其降解甲醛的机理可以分为两个方面，一方面Pt在无光条件下可以活化催化剂表面吸附的O2，并与TiO2表面的-OH的共同作用氧化分解甲醛；另一方面，在可见光照射下，具有等离子体效应的金属Pt颗粒吸收{001}-TiO2介质表面近场的散射光产生的光生电子和空穴，其中电子转移到TiO2表面与空气中的O2形成具有强氧化性的?O2，而低于Pt费米能级的光生空穴则通过“隧道”转移到{001}-TiO2表面将Ti3+氧化成Ti4+，最后在?O2-和?OH共同的作用下将甲醛矿化为H2O和CO2。
（2）以Bi(OHC2O4)作为牺牲模版，采用水热法制备了具有可见光响应的新型Bi2O3/Bi2SiO5复合光催化材料。通过理论计算和各种表征的数据结果分析，研究了Bi2O3/Bi2SiO5异质结的晶体结构、形貌特征、光吸收性能和光生电荷分离效率等。通过在可见光照射下光催化降解酸性红染料（ARG）溶液讨论了异质结的形成对光催化性能的影响。实验结果表明，Bi2O3/Bi2SiO5异质结光催化剂在可见光照射下具有比纯Bi2O3和Bi2SiO5更高的光催化活性，这主要归因于Bi2O3/Bi2SiO5复合光催化材料具有较强的可见光吸收能力及其特殊的异质结构有效的促进了光生载流子的分离。
（3）采用水热法制备出了具有p-n型异质结构的3D花状BiOBr/Bi2SiO5复合光催化材料，采用多种表征方法研究了样品的物相组成、形貌、光吸收性能和光生电荷分离效率等。以四环素作为目标污染物，研究了BiOBr/Bi2SiO5复合光催化材料的可见光催化活性和稳定性。实验结果表明，BiOBr/Bi2SiO5异质结光催化剂比纯Bi2SiO5和BiOBr具有更好的光催化降解四环素的性能。自由基捕获实验和电子自旋共振（ESR,Electron Spin Resonance）实验表明，空穴（h+）、?OH、?O2-均参与了四环素的光催化降解。DFT、XPS价带谱、DRS和功函数的分析结果表明，BiOBr和Bi2SiO5的能级结构为嵌入型，而Bi2SiO5和BiOBr的费米能级倾向于均衡的移动使之形成了p-n型异质结构，并且形成了内部电场，大大促进了载流子的分离。BiOBr/Bi2SiO5复合光催化材料增强的光催化活性可归因于窄带隙的BiOBr增加了复合光催化材料的光谱响应范围以及p-n结中内部电场的形成减少了光电子-空穴对的复合，促进了光生载流子的分离。
（4）采用水热法分别制备了Bi2WO6和BiO2-x纳米片，然后将两者通过简单的超声和搅拌的方法进行复合，制备出了Bi2WO6/BiO2-x异质结复合光催化材料。利用多种表征手段分析了Bi2WO6/BiO2-x复合光催化材料的物相组成、形貌以及光吸收性能。以苯酚为目标污染物，研究了Bi2WO6/BiO2-x复合光催化材料的可见光催化活性和稳定性。实验结果表明，Bi2WO6/BiO2-x复合光催化材料具有优异的可见光催化活性，其催化降解苯酚的速率常数为0.024min-1，分别是Bi2WO6和BiO2-x的4.8倍和1.5倍。通过自由基捕获实验和ESR实验确定了h+、?OH和?O2-参与了光催化降解苯酚的过程。Bi2WO6/BiO2-x复合光催化材料增强的可见光催化活性主要归因于异质结构的形成减少了光生电子-空穴的复合以及复合材料比表面积的增大，提供了更多的反应活性位点。
本论文的工作对于暴露{001}晶面TiO2的控制合成以及铋系异质结光催化材料的构筑提供了一定的理论参考和研究思路。
（1）采用水热法合成了暴露{001}晶面的锐钛矿TiO2微球，并通过控制水热反应条件研究了暴露{001}晶面的TiO2晶体的生长及其{001}晶面的刻蚀过程。然后，通过还原沉积的方法将贵金属Pt负载在暴露{001}晶面的TiO2微球表面，使用多种表征方法研究了样品的组成、形貌及其光吸收性能，并以甲醛气体作为光催化降解的目标污染物，研究了Pt-{001}-TiO2材料的可见光催化活性和稳定性。实验结果表明，Pt-{001}-TiO2光催化材料对甲醛的光催化降解活性远高于普通TiO2和Pt-P25光催化材料，并且在四次循环后仍有较强的可见光催化活性。其降解甲醛的机理可以分为两个方面，一方面Pt在无光条件下可以活化催化剂表面吸附的O2，并与TiO2表面的-OH的共同作用氧化分解甲醛；另一方面，在可见光照射下，具有等离子体效应的金属Pt颗粒吸收{001}-TiO2介质表面近场的散射光产生的光生电子和空穴，其中电子转移到TiO2表面与空气中的O2形成具有强氧化性的?O2，而低于Pt费米能级的光生空穴则通过“隧道”转移到{001}-TiO2表面将Ti3+氧化成Ti4+，最后在?O2-和?OH共同的作用下将甲醛矿化为H2O和CO2。
（2）以Bi(OHC2O4)作为牺牲模版，采用水热法制备了具有可见光响应的新型Bi2O3/Bi2SiO5复合光催化材料。通过理论计算和各种表征的数据结果分析，研究了Bi2O3/Bi2SiO5异质结的晶体结构、形貌特征、光吸收性能和光生电荷分离效率等。通过在可见光照射下光催化降解酸性红染料（ARG）溶液讨论了异质结的形成对光催化性能的影响。实验结果表明，Bi2O3/Bi2SiO5异质结光催化剂在可见光照射下具有比纯Bi2O3和Bi2SiO5更高的光催化活性，这主要归因于Bi2O3/Bi2SiO5复合光催化材料具有较强的可见光吸收能力及其特殊的异质结构有效的促进了光生载流子的分离。
（3）采用水热法制备出了具有p-n型异质结构的3D花状BiOBr/Bi2SiO5复合光催化材料，采用多种表征方法研究了样品的物相组成、形貌、光吸收性能和光生电荷分离效率等。以四环素作为目标污染物，研究了BiOBr/Bi2SiO5复合光催化材料的可见光催化活性和稳定性。实验结果表明，BiOBr/Bi2SiO5异质结光催化剂比纯Bi2SiO5和BiOBr具有更好的光催化降解四环素的性能。自由基捕获实验和电子自旋共振（ESR,Electron Spin Resonance）实验表明，空穴（h+）、?OH、?O2-均参与了四环素的光催化降解。DFT、XPS价带谱、DRS和功函数的分析结果表明，BiOBr和Bi2SiO5的能级结构为嵌入型，而Bi2SiO5和BiOBr的费米能级倾向于均衡的移动使之形成了p-n型异质结构，并且形成了内部电场，大大促进了载流子的分离。BiOBr/Bi2SiO5复合光催化材料增强的光催化活性可归因于窄带隙的BiOBr增加了复合光催化材料的光谱响应范围以及p-n结中内部电场的形成减少了光电子-空穴对的复合，促进了光生载流子的分离。
（4）采用水热法分别制备了Bi2WO6和BiO2-x纳米片，然后将两者通过简单的超声和搅拌的方法进行复合，制备出了Bi2WO6/BiO2-x异质结复合光催化材料。利用多种表征手段分析了Bi2WO6/BiO2-x复合光催化材料的物相组成、形貌以及光吸收性能。以苯酚为目标污染物，研究了Bi2WO6/BiO2-x复合光催化材料的可见光催化活性和稳定性。实验结果表明，Bi2WO6/BiO2-x复合光催化材料具有优异的可见光催化活性，其催化降解苯酚的速率常数为0.024min-1，分别是Bi2WO6和BiO2-x的4.8倍和1.5倍。通过自由基捕获实验和ESR实验确定了h+、?OH和?O2-参与了光催化降解苯酚的过程。Bi2WO6/BiO2-x复合光催化材料增强的可见光催化活性主要归因于异质结构的形成减少了光生电子-空穴的复合以及复合材料比表面积的增大，提供了更多的反应活性位点。
本论文的工作对于暴露{001}晶面TiO2的控制合成以及铋系异质结光催化材料的构筑提供了一定的理论参考和研究思路。