半导体光催化技术对解决能源和环境危机具有重要的意义。光催化技术通过半导体光催化剂吸收清洁、可再生的太阳能,在温和的条件下实现光催化氧化还原反应。制备高活性、高选择性、高稳定性、廉价的光催化剂是光催化技术实现大规模应用的关键。以二氧化钛(Ti02)为代表的传统光催化剂的带隙宽,只能被紫外光激发,这极大地阻碍了 Ti02作为光催化剂的发展。因此,廉价、高效、高稳定的可见光催化剂的开发备受关注。本文将材料的可控合成、先进的表征和机理研究“三位一体”相结合,用于廉价、高效、高稳定性的具有可见光响应能力的石墨相氮化碳(g-C3N4)材料的设计和制备,以提高单体g-C3N4在可见光照射下催化降解环境有机污染物的性能。同时,根据所制备的g-C3N4材料的性能、结构、组成等之间的构效关系深入研究光催化性能增强机制。在本论文中,我们通过调控g-C3N4的组成来提高其对可见光的吸收和光生电子-空穴对的分离效率;通过调节g-C3N4的维度来提高光生电荷的分离和传输能力,以改善其光催化降解污染物的活性;并通过调控g-C3N4的光生电荷的迁移来实现光生载流子的生成,以提高其光催化降解污染物的性能。本文的主要研究成果如下:1.以纳米立方体的Ce02负载g-C3N4为体系,通过调控复合物的组成来研究Ce02/g-C3N4光催化降解环境有机污染物的性能。研究结果表明,Ce02的引入抑制了 g-C3N4的光生载流子的复合。负载在单体g-C3N4表面的Ce02具有规则的立方体形貌,且尺寸在3-10 nm,小尺寸的CeO2具有量子限制效应。光生载流子的有效分离和量子限制效应共同作用于光催化反应,提升了 Ce02/g-C3N4复合物的光催化活性。2.采用机溶剂液相剥落法合成了二维类石墨烯氮化碳,通过优化不同的有机溶剂,调控类石墨烯氮化碳的层厚,并研究了类石墨烯氮化碳的光催化降解环境有机污染物的性能。研究发现,由于类石墨烯氮化碳在Z-轴方向上只有几个原子层厚度,极大地缩短了光生载流子从其体相迁移到表面的距离。因此,类石墨烯氮化碳的光生载流子得到有效的分离。同时,由于类石墨烯氮化碳具有较大的比表面积,其能提供更多的吸附位点和活性位点,从而有效地提升其光催化降解环境有机污染物性能。3.采用热氧化法控制合成了单原子层氧掺杂g-C3N4 (O-g-C3N4)纳米片光催化材料,通过调控锻烧时间和次数,宏量制备了具有原子层结构的氧掺杂g-C3N4纳米片,并将其应用于光催化降解环境有机污染物。研究发现,在空气气氛下,多层氮化碳被逐步裁剪成二维结构,并最终形成单原子层结构。少量的O有效地掺杂于g-C3N4纳米片结构中。单原子层的O-g-C3N4纳米片在Z-轴方向只有一层,其光生载流子迁移到催化剂表面的距离大大缩短,有利于提升光生载流子的迁移速率;且二维单原子结构和O的引入还抑制了单原子层的O-g-C3N4的光生载流子复合率,提升了其光催化降解环境有机污染物的性能。此外,单原子层的O-g-C3N4纳米片能光催化降解多种有机污染物。与P25相比,单原子层的O-g-C3N4紫外光催化降解4-CP的性能也得到了明显的提升。4.采用非模板法制备二维超薄多孔氧掺杂g-C3N4纳米片(PUOCNs),并研究了二维多孔结构和O掺杂对g-C3N4光催化降解环境污染物性能的影响。通过锻烧使g-C3N4膨胀;随后在常温下,通过混合酸氧化法制备了 PUOCNs。研究发现,二维超薄多孔结构和O的引入提升了 g-C3N4光催化降解环境有机污染物的性能。其中,PUOCNs的二维超薄多孔结构不仅大大缩短了光生载流子的迁移距离,而且提供了更多的吸附位点和活性位点。此外,O的引入使材料的电荷分布发生了改变,光生载流子的寿命得到了延长,提高了其参与光催化反应的概率,从而提升了 PUOCNs的光催化性能。PUOCNs的光催化降解有机污染物MO的活性比单体g-C3N4提升了 71倍。5.构建了具有电子定向迁移能力的Ag/2D-C3N4/CNTs光催化复合材料,协同地利用Ag的等离子效应和CNTs的导电性来提升2D-C3N4光催化材料的光生载流子的生成、迁移和分离,从而提升了其光催化降解环境有机污染物的性能。在可见光照射下,Ag/2D-C3N4/CNTs复合物中Ag纳米立方体的表面等离子共振效应被激发产生热电子并注入2D-C3N4的导带中与2D-C3N4的光生电子汇集。随后,在2D-C3N4导带上的高密度的电子通过具有优良导电性的CNTs迁移到催化剂的表面参与光催化反应。Ag纳米立方体和CNTs两者协同作用于2D-C3N4,从而提高了 Ag/2D-C3N4/CNTs复合物可见光催化降解环境有机污染物的性能。6.以二维层状结构的α-Fe203/2D g-C3N4为体系,通过水热法先合成了α-Fe203,随后通过与三聚氰胺分步多次煅烧形成二维结构的Z-型机制复合光催化剂:α-Fe2O3/2D g-C3N4。在可见光照射下,α-Fe2O3导带上的光生电子与2D g-C3N4价带上的光生空穴通过α-Fe2O3和2D g-C3N4形成的致密界面进行复合,而留在α-Fe203价带上的光生空穴和留在2D g-C3N4导带上的光生电子能有效地参与光催化氧化还原反应。这不仅提高了单一组分光催化剂的氧化还原能力,还抑制了其光生电子-空穴对的复合。通过同步辐射表征发现α-Fe203是与2D g-C3N4中的碳原子发生相互作用,从而提高了 Z-型机制光催化剂α-Fe203/2D g-C3N4光催化降解环境有机污染物的性能。