进入21世纪以来,随着工业社会的快速发展,大量传统化石能源被快速地消耗,由此造成的能源危机和环境污染问题日益凸显,并且极大地制约着经济和社会的可持续发展。这是人类社会必须面对和亟需解决的难题之一。由于能够利用太阳光在有机污染物降解,全解水,二氧化碳还原,氮固定以及有机合成等方面的优异表现,光催化技术被认为是同时解决人类社会环境污染问题和能源危机的最具潜力的技术方案之一,从而吸引了全世界科研工作者的关注。在降解有机污染物净化水方面,相比于传统水处理方法,光催化技术具有处理效率高,且不会造成二次污染等优点,因此被广泛地研究。在过去的几十年,半导体光催化材料在光催化领域展现出优异的性能和巨大的应用前景。光催化氧化还原过程的发生是基于具有合适禁带宽度的半导体光催化剂被能量大于其带隙值的光所激发。当半导体被激发后,价带（VB）上的电子（e^-）被激发跃迁到导带（CB）上,而在VB上留下带正电的空穴（h⁺）。CB上的e^-具有还原性而VB上的h⁺具有氧化性,这些光生载流子在光催化过程中可以在体系中形成能进一步降解有机污染物的超氧自由基（·O₂^-）/羟基自由基（·OH）等活性物制,也能直接参加氧化还原反应降解吸附在催化剂表面的有机污染物。在光催化过程中,光生电子-空穴对在催化剂表面和体相内的复合是无时不刻都在进行的,这直接造成催化过程中的活性物质的减少,进而极大地降低了光催化效率,这是影响材料的光催化性能的主要原因之一。一般来说具有宽带隙的半导体催化剂体相内的光生载流子的复合率较低,且其光生空穴和电子的氧化还原能力更强,然而其对光的利用率往往较低。与此相反,具有窄带隙的半导体催化剂的体相内光生载流子的复合率较高,且其电子/空穴的氧化/还原能力较弱,但其对光的利用率相对较高。针对光利用率低和光生载流子的复合概率高的问题,大量有效的方法被开发,包括本征缺陷调控,晶面调控,化学计量比调控,金属/非金属离子掺杂,贵金属沉积和构建异质结等。氯氧化铋（BiOCl）作为一种新型半导体光催化材料,以其独特的层状结构而表现出优异的光催化活性,然而,由于其固有宽带隙（约3.2 e V）将太阳光的吸收限制在了紫外光区域,这大大降低了其光催化活性。单斜晶四氧化二铋（m-Bi₂O₄）是一种具有混合价态的新型铋基半导体光催化材料,然而其窄带隙导致高光生载流子复合概率,进而严重制约着其光催化活性。基于以上分析,本论文旨在通过开发简单新颖的方法合成具有缺陷能级的BiOCl分级微球,构建m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-x直接Z型异质结和m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-x/BiOCl三相异质结来解决上述铋基半导体光催化材料存在的问题。本论文的主要研究内容如下:1. 开发了一种简单新颖的方法在常温下合成具有氧空位缺陷和高暴露（110）晶面的BiOCl分级微球,并提出了基于自组装的分级微球的形成机理。在可见光（λ>420 nm）照射下,0.1 g所制备的BiOCl完全降解罗丹明B（Rh B）水溶液（100 m L,10 mg/L）仅需80s,其光降解过程中的伪一级反应动力学常数高达2.18min^-1,这一速率是相同实验条件下的商用Ti O₂（P25）和用传统水热法制备的BiOCl的43倍和11倍。此外所制备的BiOCl对其它多种有机染料和抗生素均表现出令人满意的可见光催化活性。这一性能上的极大提升可以归因于两个方面,一方面由于氧空位在体相内形成了缺陷能级,这些缺陷能级不仅能够有效地分离光生电子空穴对,还实现了对可见光的吸收利用。另一方面,高暴露的（110）晶面中的[Bi-Cl]层和[O]层之间形成内建电场,内建电场能够有效地分离光生电子-空穴对。活性物质抑制试验证明h⁺、·O₂^-和e^-是光催化过程中的主要活性物质。这些研究结果为开发具有本征缺陷的BiOCl以提升其光催化活性提供了一种可行性的指导。2. 利用简单的一步水热法构建了m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-xZ型异质结,并且能够对Bi₂O_4-x的负载率进行有效调控。有趣的是Bi₂O_4-x的负载率对复合材料的光催化活性具有显著影响。此外我们还探索了基于原位生长的m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-xZ型异质结形成机理。所制备的m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-x光催化剂对多种常见的有机污染物都展现出普适的可见光催化活性。相比于纯相m-Bi₂O₄,具有最优Bi₂O_4-x负载率的m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-x复合材料对不同有机物的光降解均有不同程度的提升,这主要与目标降解物的结构有关。具体来说,0.1 g的m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-x催化剂在可见光下完全降解100 m L,10 mg/L的Rh B水溶液仅用时40 min,其光催化速率常数达到0.1 min^-1,是纯相m-Bi₂O₄的5.4倍。此外,所制备的复合光催化剂对苯酚和甲基橙（MO）均具有优异的光催化活性。这种性能上的显著增强可以归因于高效Z型异质结的形成,这不仅降低了光生电子-空穴对的复合概率,还使光生载流子具有更强的氧化还原能力。最后我们利用电化学测试,电子顺磁共振（EPR）技术和活性物质抑制试验对光催化过程中的电荷转移路径进行探究,阐述了在m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-x中的电荷转移机理。3. 利用一步水热法构建m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-x/BiOCl三相异质结光催化剂。比较了m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-x/BiOCl与m-Bi₂O₄,Bi₂O_4-x,BiOCl和m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-x的光催化性能。正如我们预期的那样,m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-x/BiOCl样品显示出比三种纯光催化剂更强光催化降解能力,并且也优于m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-x。对性能增强的原因进行了进一步地探究,结果表明这主要归因于三相异质结的形成进一步提高光生载流子的分离和转移效率。此外所制备的m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-x/BiOCl对多种有机物（双酚A,苯酚和甲基橙）均表现出优异的可见光催化活性,这表明其优异的光催化普适性。对m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-x/BiOCl的能级结构进行分析,结果表明,m-Bi₂O₄和Bi₂O_4-x之间形成Z型异质结,m-Bi₂O₄与BiOCl之间形成Ⅱ型异质结。最后我们基于三相异质结阐述了在m-Bi₂O₄/Bi₂O_4-x/BiOCl光催化过程中的电荷转移机制。