随着科技的进步,民族地区的畜牧业得到了快速的发展,为民族地区社会经济的发展做出了重要贡献。然而,为了防御牲畜的疾病,常添加抗生素(特别是盐酸四环素)。由于畜牧业所使用的盐酸四环素母体化学结构稳定,大部分被牲畜以原药或代谢物的形式排出体外进入水体和土壤,对民族地区的生态环境造成严重的破坏。处理盐酸四环素的传统方法有物理吸附、生物降解等,但去除效率比较低,而半导体光催化技术催化效率高,且不会带来二次污染,是目前最有前途的处理盐酸四环素的有效方法之一。半导体光催化氧化技术是半导体材料在一定波长光的照射下,被激发产生电子和空穴,然后通过与其表面吸附的抗生素产生氧化还原反应降解去除抗生素。二氧化钛具有进行光催化反应的合适能带结构、成本低、无毒、稳定性好等优点,因此它被认为是一种重要的光催化剂,但是二氧化钛是宽禁带半导体,对太阳光的利用率比较低。此外,二氧化钛的光生电子和空穴容易发生复合导致其量子效率低,从而限制了在废水中有机污染物处理等领域的实际应用。本论文的研究目标是获得具有优异光催化性能的二氧化钛基光催化材料,实现对民族地区牧业废水中盐酸四环素的高效降解。鉴于不同类型结构的材料与二氧化钛复合构建的异质结材料具有不同的光催化性能,并考虑到异质结中能形成有利于光生载流子转移和分离的能级匹配结构,我们分别选择氢氧化镍、氧化亚铜、铁酸锌和金-钨酸铋与二氧化钛复合,构建能带结构相匹配的二氧化钛基异质结结构,通过光催化性能研究,筛选出性能优异的光催化剂,实现对水体中盐酸四环素的高效降解。本论文的主要研究内容和结论如下:(1)作为一种重要的过渡金属氢氧化物,氢氧化镍修饰二氧化钛可以形成p-n异质结,促使光生载流子的有效转移和分离。采用液相化学法在二氧化钛纳米棒阵列结构上生长氢氧化镍纳米结构,制备二氧化钛-氢氧化镍纳米棒阵列结构,通过光催化降解模拟牧业废水中盐酸四环素测试材料光催化性能,研究盐酸四环素的浓度和pH值对材料光催化性能的影响。结果表明,经模拟太阳光照射90分钟后,异质结光催化材料的降解率为78.1%,是二氧化钛纳米棒阵列的1.7倍;当盐酸四环素溶液初始浓度为10 mg/L和pH值为6.8时,降解率最高;循环降解研究表明,在相同溶液浓度和pH值条件下(10 mg/L,pH 6.8),异质结纳米棒阵列在第四次循环中的降解率是第一次循环的92%,表明具有优异的稳定性。对异质结结构的能带结构分析表明,二氧化钛和氢氧化镍界面间形成的p-n结促使光生载流子的有效转移和分离,降低光生电子-空穴对的复合率,提高光催化性能。(2)作为一种重要的过渡金属氧化物,氧化亚铜修饰二氧化钛不仅能形成有利于光生载流子的有效转移和分离的p-n异质结,而且能有效的将光响应拓展到可见光区。利用化学浴法将氧化亚铜纳米粒子生长在二氧化钛纳米棒阵列上,控制化学浴沉积次数,调控氧化亚铜纳米粒子的负载量,构筑不同氧化亚铜负载量的异质结纳米棒阵列。通过催化降解水体中盐酸四环素,研究材料光催化性能;研究盐酸四环素的浓度和pH值对材料光催化性能的影响。结果表明:经优化氧化亚铜纳米粒子负载量所制备光催化剂的光催化降解率是二氧化钛纳米棒阵列的1.7倍;溶液的初始浓度为10 mg/L和pH值为6.8时,异质结催化剂对盐酸四环素的降解率可达83.3%。循环降解光催化性能研究表明,异质结纳米棒阵列具有较好的光催化稳定性。基于异质结结构的能带结构分析,具有Type Ⅱ能带结构和p-n结的二氧化钛-氧化亚铜异质结能使其光生电子和空穴的有效转移和分离,降低光生电子-空穴对的复合率,进而增强光催化性能。(3)作为一种重要的双过渡金属氧化物,铁酸锌修饰二氧化钛,不仅能形成有利于光生载流子的有效传输和分离的能级结构,而且能将光响应范围有效拓展到可见光区。通过溶剂热法在二氧化钛纳米棒阵列表面生长铁酸锌纳米粒子,构筑二氧化钛-铁酸锌异质结纳米棒阵列。光催化降解水体中盐酸四环素的结果表明,光催化材料对盐酸四环素的降解率为83.4%,是二氧化钛纳米棒阵列的1.8倍;当盐酸四环素溶液初始浓度为5 mg/L和pH值为6.8时,降解率最高(86.9%);循环降解研究表明,异质结光催化材料具有较好的稳定性。对异质结结构的能带结构分析表明,具有Type Ⅱ能带结构的二氧化钛-铁酸锌异质结能使其光生电子和空穴的有效转移和分离,降低光生电子-空穴对的复合率,增强光催化性能。(4)由贵金属纳米粒子和窄带隙半导体共修饰二氧化钛,构建具有表面等离子体共振(SPR)效应和Type Ⅱ能带结构的异质结光催化剂,不仅能有效拓展光响应范围,传输和分离光生载流子,而且能利用贵金属纳米粒子的SPR效应提高光吸收能力和提供热电子注入,显著增强光催化性能。通过溶剂热法在二氧化钛纳米棒阵列生长钨酸铋纳米结构,然后利用液相化学还原法在异质结纳米棒阵列上生长金纳米粒子,构筑二氧化钛-钨酸铋-金三元异质结纳米棒阵列。光催化性能研究表明,三元异质结催化材料对盐酸四环素(10 mg/L,pH6.8)的降解率高达92.2%,是二氧化钛的2倍。考察了盐酸四环素初始浓度和pH值对催化活性的影响,初始浓度为10 mg/L和pH值为6.8时,异质结纳米棒阵列对其降解率最高。循环实验研究表明三元异质结催化材料具有优异的稳定性,在第四次循环的降解率仍高达85.8%。由于Type Ⅱ型能带结构和金纳米粒子的SPR效应共同作用,促进异质结光生载流子的有效转移和分离,降低载流子复合率,显著提高光催化性能。