半导体光催化技术是解决能源短缺和环境污染这两方面问题有效、绿色和最有发展前景的方法,其核心是对半导体光催化剂的研究。在已报道的半导体材料中,铋基半导体光催化剂因其具有结构可控、环境友好、原料充足、光催化活性高和稳定性好等优点,而成为继TiO2之后的一类非常重要的新型光催化材料。特别是Sillen族的铋基半导体光催化材料拥有独特的层状结构,促使光生载流子在层间得到有效的分离和转移,继而获得良好的光催化性能,但其中部分半导体如Bi2O2CO3和BiOCOOH等因具有较宽的禁带宽度,导致对太阳光的利用率低,也使它们的实际应用受到了极大限制。本论文针对Bi2O2CO3和BiOCOOH在光催化过程中存在的问题,设计出简单的产品制备路线,通过形貌控制和异质结构筑等方法对Bi2O2CO3和BiOCOOH进行了改性,有效地增强了材料对可见光的吸收并进一步降低了光生载流子的复合率,大幅度提升了它们的光催化性能;通过SEM、TEM、HRTEM、XRD、XPS和UV-Vis DRS等方法对所制备的铋基半导体光催化剂的结构、组成和光学性质等进行了表征与分析;并深入探究了异质结微纳结构的形成机理和光催化降解污染物的机理。论文主要分为以下五个部分:1.利用DL-天冬氨酸和非离子两亲型三嵌段共聚物F127组成的分子有序组合体为复合软模板,尿素为碱源,在常压回流条件下制备含Bi花状分等级前驱体。系统研究了反应物浓度对材料形貌、相结构和组成的影响,阐明了复合软模板的作用机理。然后以含Bi花状分等级前驱体为自牺牲模板,通过控制煅烧温度在Bi2O2CO3上原位生成β-Bi2O3构筑了 p-n型β-Bi2O3/Bi2O2CO3异质结,考察了煅烧温度对产品形貌和组成的影响。在模拟太阳光(氙灯)照射下,290℃煅烧温度下获得的β-Bi2O3/Bi2O2CO3异质结光催化剂相比于纯Bi2O2CO3、β-Bi2O3以及其它温度获得异质结样品表现出更优异的光催化降解四环素(TC)和罗丹明B(RhB)的性能。这归因于构建的p-n型异质结增强了材料对可见光的吸收,促进了光生载流子的分离和转移,以及花状分等级结构赋予了材料较大的比表面积和介孔结构。此外,考察了材料的可循环再利用性能。根据活性物种捕获的实验结果和半导体的能带结构,提出了基于p-n型异质结构的光催化反应机理。2.虽然p-n型异质结构有诸多优点,但其光生载流子迁移机制导致光催化剂的氧化还原能力较弱。金属Bi纳米粒子具有与贵金属类似的表面等离子共振(SPR)效应,将其与铋基半导体复合构筑异质结能保持材料的氧化还原能力,同时Bi纳米粒子可以由铋基半导体中的Bi离子原位还原生成。因此,设计在甲酰胺的辅助下,通过简单的一步高温(170℃)水热法在Bi2O2CO3上原位还原生成Bi纳米粒子获得Bi/Bi2O2CO3异质结纳米片,避免了多步反应路线。考察了水热反应时间对材料的形貌、相结构和组成的影响。实验结果显示Bi纳米粒子首先在中间产物BiOCOOH上原位生成,随着反应的继续进行,BiOCOOH与CO32-反应生成Bi2O2CO3纳米片且Bi纳米粒子的含量会同时增加,从而构建了不同Bi负载量的Bi/Bi2O2CO3异质结材料。在制备过程中甲酰胺作为碳源和碱源且其水解产生的甲酸又发挥了还原剂的作用。在模拟太阳光照射下,适量的金属Bi负载可极大提高Bi2O2CO3的光催化降解RhB和TC性能,这归因于原位生成的Bi纳米粒子的SPR效应提高了材料对可见光吸收和促进了光生载流子的分离。此外,考察了材料的可循环再利用性能。根据活性物种捕获的实验结果和半导体的能带结构,提出了基于Bi纳米粒子SPR效应增强的光催化反应机理。3.在第二部分研究结果的基础上,通过高温(170℃)水热法将g-C3N4与Bi/Bi2O2CO3复合构建了 Z型Bi/Bi2O2CO3/g-C3N4三元异质结材料。在模拟太阳光照射下,考察了 g-C3N4的负载量对所制备材料光催化降解RhB和TC性能的影响,研究表明,相较于g-C3N4和Bi/Bi2O2CO3,Bi/Bi2O2CO3/g-C3N4三元异质结表现出更好的光催化降解RhB和TC性能,其中,g-C3N4负载量为20 wt.%的Z型异质结材料具有最高的光催化活性,这一方面是因为原位负载的Bi纳米粒子的SPR效应提高了Bi2O2CO3对可见光的吸收和量子产率,另一方面,Bi2O2CO3和g-C3N4之间直接Z型电荷载流子转移机制在极大地提高光生载流子分离和转移效率的同时保持了复合材料最强的氧化还原能力。此外,考察了材料的可循环再利用性能。通过活性物种捕获实验确定了光催化过程中的活性物种,提出了基于直接Z型异质结载流子转移机制和Bi纳米粒子SPR效应协同作用的光催化反应机理。4.由以上研究发现,采用甲酰胺为碳源和碱源可以制备BiOCOOH,而BiOCOOH的导带相较于Bi2O2CO3的更负,导带上电子还原能力更强。同时发现Bi纳米粒子的SPR效应可以增强材料的光催化性能。因此,进一步通过优化反应温度和改变甲酰胺的用量,采用一步低温水热法(120℃)合成了一系列不同形貌的纯BiOCOOH和Bi/BiOCOOH异质结材料。系统考察了甲酰胺用量的增加对所得样品的形貌、结构和组成的影响,发现甲酰胺在BiOCOOH和Bi/BiOCOOH异质结材料的制备中起着多重作用。在模拟太阳光照射下,以RhB和K2Cr2O7为降解模型污染物研究了材料的形貌和组成对光催化性能的影响,结果表明,与其它形貌的BiOCOOH样品相比,BiOCOOH花状分等级材料显示出更高的光催化降解RhB和K2Cr2O7性能,这是由于其具有较大的比表面积和更强的吸附能力。同时,适量的金属Bi纳米粒子负载也可提高BiOCOOH的光催化性能,这归因于原位负载的Bi纳米粒子扩展了 BiOCOOH对光的吸收范围,促进了光生载流子的分离和转移。根据活性物种捕获的实验结果和半导体的能带结构,提出了基于间接染料光敏化和Bi纳米粒子SPR效应协同作用的光催化反应机理。5.BiOCOOH的宽带隙限制了其对可见光的吸收,而离子掺杂能优化能带结构,促进对可见光的吸收。以第四部分制备的花状分等级BiOCOOH为前驱体,在室温下采用简单的离子交换法制备得到I-掺杂的BiOCOOH“类异质结”材料。并利用UV-Vis DRS和Mott-Schottky测试研究了I-掺杂对材料的光吸收性能以及能带结构的影响。分别在模拟太阳光和可见光照射下,以RhB为模型污染物考察了I-离子掺杂量对材料的光催化性能影响。研究发现,适量I-掺杂后得到的BiOCOOH“类异质结”材料相比于BiOCOOH、BiOI和P25表现出更高的可见光催化降解RhB活性。I-的引入使BiOCOOH对光的吸收从紫外光区扩展到可见光区,形成了“异质能级”,优化了材料的能带结构,同时适量的I-可作为空穴陷阱,促进了光生载流子的有效分离,实现了高效可见光催化剂的制备。此外,考察了材料的可循环再利用性能并探究了光催化降解RhB的路径。通过活性物种捕获实验确定了光催化过程中的活性物种,提出了基于“异质能级”优化的光催化反应机理。