能源短缺和环境污染已成为人类发展亟待解决的问题,太阳能是丰富、无污染、可再生的清洁能源,其开发利用对解决能源危机及生态环境污染具有重要的意义。光催化是最具有潜力和发展前途的太阳能利用技术,包括利用光催化降解有机污染物技术和利用光催化或光电催化分解水以获得高能量密度清洁能源技术。在光催化过程中,半导体材料起着决定性的作用。例如,氧化锌(ZnO)是一种常用的半导体材料,但以ZnO为代表的金属氧化物存在如下问题:1)较宽的带隙宽度决定了其对太阳光的响应范围较窄;2)体相内导电性较差、水的氧化动力学速率低,光生载流子的转移速率慢,同时载流子的复合速度快,到达反应物表面或反应物/电解质界面的光生载流子数量少,太阳能转换效率低;3)存在腐蚀问题,光化学稳定性较差。因此,研发理想的半导体光催化材料,解决上述问题,是发展光催化技术的关键。本论文以ZnO为基础,利用g-C3N4、Ag、AgBr和BiOCl等材料为助剂成功合成了系列新型半导体纳米复合材料,包括三维花状结构的纳米复合材料(ZnO/CN)、新型泡沫氧化锌-二氧化硅球/氮化碳(FZSS/CN)、银-溴化银/泡沫氧化锌-二氧化硅球(Ag-AgBr/FZSS)和BiOCl/ZnO/g-C3N4纳米复合材料,研究了用其作为光催化剂降解有机污染物和光电催化分解水的性能,通过各组分间的协同作用,提高材料对光的俘获能力、加快光生载流子的转移和分离,进而实现对太阳能的高效利用。论文的主要研究内容有:1.通过水热合成法与后续煅烧相结合,以ZnO与g-C3N4(CN)为主要原料原位合成了具有三维结构的半导体异质结光电催化剂ZnO/CN。研究表明:样品具有三维花状的结构形貌,带隙宽度为2.4 eV,在碱性电解质中具有优越的光/电催化性能。对于析氧反应(OER),当电流密度为10 mA cm-2时,过电位为335 mV;对于析氢反应(HER),当电流密度为100 mAcm-2时,过电位为-225 mV。在光照射下,其催化性能进一步提高,对于OER,当电流密度为10 mA cm-2时,过电位为326 mV;对于HER,当电流密度为100 mA cm-2时,过电位为-167 mV。2.采用微乳法与后续煅烧相结合制备了银-溴化银/泡沫氧化锌-二氧化硅球(Ag-AgBr/FZSS)异质结复合材料,并对其进行了一系列的分析表征,研究了其在碱性电解质中光/电催化分解水性能。结果表明:Ag-AgBr/FZSS样品具有独特的多孔表面和开放的空腔结构,这种结构形貌赋予了其更多的活性位点和导电通道,有利于对可见光的吸收和载流子的传输,有利于提高光/电催化性能。样品对OER,在电流密度为10 mA cm-2时,过电位为348 mV;对HER,在电流密度为100 mA cm-2时,过电位为-217 mV;在光照条件下,这两个过电位分别降低至337 mV和-195 mV,且具有很好的稳定性。3.采用微乳法制备了泡沫氧化锌-二氧化硅球/氮化碳(FZSS/CN)纳米复合材料,优化了材料的制备工艺条件,研究了材料对亚甲基蓝(MB)和罗丹明B(RhB)的可见光催化降解性能。结果表明:所得样品对MB和RhB的光催化降解率可分别达到95%和90%,其降解反应速率常数众分别为0.0516 min-1和0.0464 min-1。这种优异的光催化性能可归因于其具有的泡沫结构、介孔通道、开放的空腔和高的比表面积,这种独特的结构有助于提高材料的光学和动力学性能。4.通过水热合成法和后续煅烧处理相结合,将BiOCl、ZnO和g-C3N4进行了三元复合,制备了 BiOCl/ZnO/g-C3N4纳米复合材料,研究并优化了复合材料的制备工艺条件。结果表明:样品对可见光的吸收能力增强,并能使光生载流子有效分离。对溶液中的罗丹明B(RhB)和甲基橙(MO)具有较好的光催化降解性能,降解率分别可达98.6%和93.5%,降解反应速率常数分别为0.2134 min-1和0.1380 min-1,催化剂样品具有优异的稳定性和可重复使用性。这种优异的光催化活性取决于材料中半导体之间的协同作用。