光催化法是一种利用太阳光驱动反应的环境污染治理和能源生产技术,但常规的光催化只能利用占太阳光5%左右的紫外光及部分可见光。为提高太阳光光能利用率,近年来,一种兼有上转换发光及光催化效能的复合光催化材料开始成为研究热点。本论文以此为出发点,采用稀土掺杂CaF₂与半导体材料TiO₂复合,利用其上转换功能将近红外光转换为可激发TiO₂的紫外光和短波长可见光来提高光催化性能,并从双活性核壳结构的制备、异质结的形成、上转换发光强度的提高三个方面进行研究。由于TiO₂的吸收边较小,引入具有较大吸收边的BiVO₄到上转换光催化材料中,以提高上转换发射光的利用效率。最后,将电镀废水中制备的复合铁氧体磁基质与电镀废水中获得的高活性ZnO半导体材料结合,制备了具有全光谱利用和异质结等优点的磁性上转换光催化材料,满足了上转换发光及回收利用目的。主要研究成果如下:（1）Er³⁺/Yb³⁺-（CaF₂/TiO₂）上转换光催化材料具有双活性核壳型结构,其Er³⁺和Yb³⁺离子不但存在于CaF₂核心,也存在于TiO₂壳层。该材料吸收边达到425nm,且在980nm激光激发下可发出657nm的红光、540和523nm的绿光、408nm的紫光和379nm的紫外光,从而有利于后续的光催化降解反应。对甲基橙模拟废水的降解实验表明,在近红外光（720<λ<1100nm）照射12h后,Er³⁺/Yb³⁺-（CaF₂/TiO₂）对甲基橙的降解率为32.1%,高于Er³⁺/Yb³⁺-TiO₂的对应值（9.1%）;在氙灯全光谱照射4h后,Er³⁺/Yb³⁺-（CaF₂/TiO₂）对甲基橙的降解率为63.3%,高于纯TiO₂（52.6%）、CaF₂/TiO₂（45.9%）和Er³⁺/Yb³⁺-TiO₂（48.6%）的对应值。（2）为了进一步提高CaF₂/TiO₂上转换光催化材料的光催化性能,引入了异质结方法制备Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaTiO₃/CaF₂/TiO₂）上转换光催化材料。该材料保留了棉花模板的条带状形貌,其（Ca0.8Yb0.2）F₂.2核心表面负载了很多锐钛矿纳米颗粒和金红石纳米棒。锐钛矿与金红石之间,以及它们与残留的CaTiO₃之间都能形成异质结,从而赋予Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaTiO₃/CaF₂/TiO₂）高效的光生电子与空穴分离能力。该材料吸收边为409nm,且在980nm激光激发下可发出652nm的红光、541和522nm的绿光、485和455nm的蓝光、407nm的紫光,以及381、364、351和292nm的紫外光,从而有利于后续的光催化降解反应。对甲基橙模拟废水的降解实验表明,在近红外光照射3h后,Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaTiO₃/CaF₂/TiO₂）对甲基橙的降解率为52.3%,分别是Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaTiO₃/TiO₂）的1.6倍和Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaTiO₃/CaF₂）的2.5倍;在紫外-可见-近红外光照射10min后,Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaTiO₃/CaF₂/TiO₂）对甲基橙的降解率为90.3%,明显高于Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaTiO₃/TiO₂）和Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaTiO₃/CaF₂）的对应值。（3）上转换光催化材料的光催化性能与上转换发光性能密切相关,为了提高上转换发光性能,制备了Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaWO₄/TiO₂/CaF₂）上转换光催化材料。该材料是由残留的CaWO₄及其表面负载的TiO₂/（Ca0.8Yb0.2）F₂.2壳层组成。在壳层中,（Ca0.8Yb0.2）F₂.2并没有被TiO₂包裹,而是与TiO₂纳米晶相互交替排列。相对于纯Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaWO₄/CaF₂）,TiO₂壳层提高了Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaWO₄/TiO₂/CaF₂）的上转换发光强度。Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaWO₄/TiO₂/CaF₂）的吸收边为425nm,其在980nm激光激发下,能够发出659nm的红光、554和525nm的绿光、477nm的蓝光、410nm的紫外光、382和365nm的紫外光,从而有利于后续的光催化降解反应。在980nm激光和近红外光（λ≥780nm）照射3h后,Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaWO₄/TiO₂/CaF₂）对甲基橙的降解率分别为20.3%和46.6%,高于Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaWO₄/TiO₂）的对应值（12.7%和38.2%）;在紫外-可见-近红外光照射30min后,Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaWO₄/TiO₂/CaF₂）对甲基橙的降解率为91.7%,高于Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaWO₄/TiO₂）的84.8%降解率。（4）以上三种TiO₂上转换光催化材料的吸收边较小,为此制备了Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-CaF₂/BiVO₄上转换光催化材料。该材料由完整规则的树枝状BiVO₄及其表面均匀负载的Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-CaF₂颗粒组成。相对于纯Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-CaF₂,Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-CaF₂/BiVO₄的上转换发光强度提高了8倍以上,主要是由于其交换的Bi³⁺离子破坏了Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-CaF₂的晶体场对称性。Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-CaF₂/BiVO₄的吸收边为506nm,其在980nm激光激发下可发出658nm的红光、543和524nm的绿光、485nm的蓝光、408nm的紫光,以及379和361nm的紫外光,从而有利于后续的光催化降解反应。对甲基橙模拟废水的降解实验表明,在980nm激光照射6h后,Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-CaF₂/BiVO₄对甲基橙的降解率为10.1%;在紫外-可见-近红外光照射3h后,Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-CaF₂/BiVO₄对甲基橙的降解率为39.0%,高于纯BiVO₄的对应值,而污泥模板-Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-CaF₂/BiVO₄-TiO₂对甲基橙的降解率达到了60.1%。（5）为了利用上转换得到的所有发射光谱并采用磁性分离上转换光催化材料,以电镀废水中回收的复合铁氧体和半导体氧化物ZnO为基础,结合稀土和Ca2+离子,设计制备了Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaF₂/ZnFe₂O₄/ZnO）磁性上转换光催化材料。该材料由（Ca0.8Yb0.2）F₂.2核心及其表面负载的ZnO和ZnFe₂O₄纳米晶组成,其饱和磁化强度为1.08emu/g。在980nm激光激发下,Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaF₂/ZnFe₂O₄/ZnO）能够发出656nm的红光、541和523nm的绿光、484nm的蓝光、410nm的紫光,以及381和362nm的紫外光。Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaF₂/ZnFe₂O₄/ZnO）具有全光谱吸收能力,能够直接利用这些发射光进行光催化反应。对甲基橙模拟废水的降解实验表明,在近红外光（λ≥780nm）照射3h后,Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaF₂/ZnFe₂O₄/ZnO）对甲基橙的降解率为13.2%;在可见-近红外光照射3h后,Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺-（CaF₂/ZnFe₂O₄/ZnO）对甲基橙的降解率分别为43.7%,明显高于Ca-Zn磁性前驱体对应的降解率。