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光催化技术被认为是解决未来能源危机和环境污染问题的有效途径之一。然而，作为光催化技术的核心，常见的光催化材料由于其光生电子-空穴对复合率高、太阳能利用率低和稳定性差等不足，制约了其进一步的应用。因此，设计合成出高效、宽光谱响应、稳定的新型光催化剂具有极其重要的意义。本研究以钨氧化物为研究对象，通过晶面工程、掺杂、缺陷工程和异质结构建等方法，制备了几种新型钨氧化物及其复合物光催化剂，研究了所合成的光催化材料的光催化性能，探讨了其形貌、微结构及其能带结构对其光催化性能影响的机制。主要研究内容和成果如下：
（1）采用水控制缓慢释放法合成了暴露{010}晶面的M0.33WO3(M=K,Rb,Cs)纳米棒。通过X射线精细吸收谱(EXAFS)、同步辐射真空紫外光电离质谱（SVUV-PIMS）、13C标记以及X射线光电子能谱(XPS)等多种表征手段，基于光催化还原产物分析，结合密度泛函理论（DFT）计算，研究了M0.33WO3光催化剂的微结构、电子结构影响其在富氧环境下，光催化还原低浓度CO2性能的内在机制。光催化实验结果表明，宽谱光照射下，Cs0.33WO3、Rb0.33WO3和K0.33WO3可以有效的光催化转化空气中的CO2为甲醇，甲醇产率分别达到了4.375、3.775和1.925μmol gcat-1h-1。尤其是在近红外光（800nm~2500nm）照射下，Cs0.33WO3和Rb0.33WO3仍然表现出良好的光催化转化空气中CO2为甲醇的活性，甲醇产率分别达到了1.27和2.33μmol gcat-1h-1。更重要的是在模拟太阳光照射下，负载在固定床上的Rb0.33WO3在流动空气相仍然保持着良好的甲醇产率。气体吸附、脱附实验与DFT计算结果证实，在M0.33WO3中的碱金属极大地增强了对CO2的选择性吸附性能，还原态的W5+作为活性位点促进了CO2和水分子的活化，两者的协同作用，增强了光催化转化空气中CO2的活性。近红外光催化还原CO2机理研究表明，近红外光诱导的小极子跃迁能够生成丰富的电子以还原被吸附在光催化剂表面的CO2。
（2）利用前驱体溶剂热法合成了富氧空位的WO3-x纳米片，研究了其可见光催化固氮合成氨的性能。在可见光照射下，WO3-x纳米片表现出良好的光催化固氮合成氨的性能，氨产率达到了82.41μmol gcat-1h-1。FT-IR和TEM等分析证实，WO3-x纳米片中非化学计量比的W、O原子和自身的超薄结构导致晶体内产生大量的氧空位。通过XPS、DRS分析和光催化条件实验，探索了富氧空位的WO3-x纳米片的光催化固氮合成氨机理。结果表明，氧空位可以同时对N2分子的吸附和光生电子的转移起到积极的作用。
（3）采用超声波辅助法制备了g-C3N4修饰的Cs0.33WO3复合材料，通过透射电镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等表征手段，结合反应产物，研究了其光催化转化低浓度甲烷的机理。30CW复合光催化剂在宽光谱光照下，能有效地光催化转化低浓度甲烷(1000ppm)为甲醇，转化效率约为4.375μmol gcat-1h-1。TEM和FT-IR分析表明，复合样品中的g-C3N4与Cs0.33WO3中的W-O键发生键合，这使得Cs0.33WO3纳米棒上的光生电子可以迅速转移到负载在其表面的g-C3N4纳米片上。FT-IR表征和自由基捕获实验证实，复合材料中的g-C3N4组分光诱导产生的?O2-提升了C-H键的解离速率，促进了中间体甲氧基的生成，Cs0.33WO3组分提供的自由电子则保护了甲氧基免受过度氧化，选择性地提高了甲氧基向甲醇的转化率。
（4）通过超声波辅助法制备了Z型异质结构的[email protected]多功能玻璃窗涂层材料，研究了其紫外和近红外光吸收、可见光透射和光催化降解VOCs的内在机理。所制备的40CNCWO复合涂料对可见光平均透过率高于70%，同时对紫外线和红外线均有很好的屏蔽能力，且在宽光谱照射下能有效地光催化降解空气中的甲醛和甲苯。即使在近红外光照射下，该材料也能将高毒性甲醛光催化转化成低毒性的甲醇。电化学表征和自由基捕获实验结果表明，在宽光谱照射下复合材料的Z型异质结构能显著增强载流子的分离，促进了?O2-的产生，提高了光催化氧化的能力。光学表征和光催化机理研究表明，在红外光照射下，小极子跃迁所生产的自由电子可以还原吸附在光催化剂表面的甲醛为甲醇。所合成的g-C3N4@CsxWO3复合材料非常适合作为多功能智能玻璃窗涂层材料。
综上所述，本研究所进行的钨氧化物及其复合物合成及其光催化性能研究，为光催化技术用于清洁能源生产、绿色有机合成和环境污染物治理领域提供了较为重要的参考。
（1）采用水控制缓慢释放法合成了暴露{010}晶面的M0.33WO3(M=K,Rb,Cs)纳米棒。通过X射线精细吸收谱(EXAFS)、同步辐射真空紫外光电离质谱（SVUV-PIMS）、13C标记以及X射线光电子能谱(XPS)等多种表征手段，基于光催化还原产物分析，结合密度泛函理论（DFT）计算，研究了M0.33WO3光催化剂的微结构、电子结构影响其在富氧环境下，光催化还原低浓度CO2性能的内在机制。光催化实验结果表明，宽谱光照射下，Cs0.33WO3、Rb0.33WO3和K0.33WO3可以有效的光催化转化空气中的CO2为甲醇，甲醇产率分别达到了4.375、3.775和1.925μmol gcat-1h-1。尤其是在近红外光（800nm~2500nm）照射下，Cs0.33WO3和Rb0.33WO3仍然表现出良好的光催化转化空气中CO2为甲醇的活性，甲醇产率分别达到了1.27和2.33μmol gcat-1h-1。更重要的是在模拟太阳光照射下，负载在固定床上的Rb0.33WO3在流动空气相仍然保持着良好的甲醇产率。气体吸附、脱附实验与DFT计算结果证实，在M0.33WO3中的碱金属极大地增强了对CO2的选择性吸附性能，还原态的W5+作为活性位点促进了CO2和水分子的活化，两者的协同作用，增强了光催化转化空气中CO2的活性。近红外光催化还原CO2机理研究表明，近红外光诱导的小极子跃迁能够生成丰富的电子以还原被吸附在光催化剂表面的CO2。
（2）利用前驱体溶剂热法合成了富氧空位的WO3-x纳米片，研究了其可见光催化固氮合成氨的性能。在可见光照射下，WO3-x纳米片表现出良好的光催化固氮合成氨的性能，氨产率达到了82.41μmol gcat-1h-1。FT-IR和TEM等分析证实，WO3-x纳米片中非化学计量比的W、O原子和自身的超薄结构导致晶体内产生大量的氧空位。通过XPS、DRS分析和光催化条件实验，探索了富氧空位的WO3-x纳米片的光催化固氮合成氨机理。结果表明，氧空位可以同时对N2分子的吸附和光生电子的转移起到积极的作用。
（3）采用超声波辅助法制备了g-C3N4修饰的Cs0.33WO3复合材料，通过透射电镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等表征手段，结合反应产物，研究了其光催化转化低浓度甲烷的机理。30CW复合光催化剂在宽光谱光照下，能有效地光催化转化低浓度甲烷(1000ppm)为甲醇，转化效率约为4.375μmol gcat-1h-1。TEM和FT-IR分析表明，复合样品中的g-C3N4与Cs0.33WO3中的W-O键发生键合，这使得Cs0.33WO3纳米棒上的光生电子可以迅速转移到负载在其表面的g-C3N4纳米片上。FT-IR表征和自由基捕获实验证实，复合材料中的g-C3N4组分光诱导产生的?O2-提升了C-H键的解离速率，促进了中间体甲氧基的生成，Cs0.33WO3组分提供的自由电子则保护了甲氧基免受过度氧化，选择性地提高了甲氧基向甲醇的转化率。
（4）通过超声波辅助法制备了Z型异质结构的[email protected]多功能玻璃窗涂层材料，研究了其紫外和近红外光吸收、可见光透射和光催化降解VOCs的内在机理。所制备的40CNCWO复合涂料对可见光平均透过率高于70%，同时对紫外线和红外线均有很好的屏蔽能力，且在宽光谱照射下能有效地光催化降解空气中的甲醛和甲苯。即使在近红外光照射下，该材料也能将高毒性甲醛光催化转化成低毒性的甲醇。电化学表征和自由基捕获实验结果表明，在宽光谱照射下复合材料的Z型异质结构能显著增强载流子的分离，促进了?O2-的产生，提高了光催化氧化的能力。光学表征和光催化机理研究表明，在红外光照射下，小极子跃迁所生产的自由电子可以还原吸附在光催化剂表面的甲醛为甲醇。所合成的g-C3N4@CsxWO3复合材料非常适合作为多功能智能玻璃窗涂层材料。
综上所述，本研究所进行的钨氧化物及其复合物合成及其光催化性能研究，为光催化技术用于清洁能源生产、绿色有机合成和环境污染物治理领域提供了较为重要的参考。