近年来,由能源短缺和工业污染造成的系列环境问题已引发全球范围内科学家的热切关注。半导体光催化技术作为一种新型的技术手段能够有效地解决能源与环境污染危机,因此也受到了科学家们越来越多的关注。半导体光催化技术可以应用于水裂解制备氢气和氧气、灭活细菌、污染物降解以及有机催化反应等领域,因此也被认为是一种绿色环保的技术。在众多半导体材料中,铌基半导体催化剂因其能隙结构易调控、毒性低、稳定性好等优点,在光催化领域具有较大的应用潜力。然而它仍存在光生电子-空穴易复合及能带间隙值较大等问题,这极大降低了铌基半导体催化剂的光催化效率并限制了其对于可见光的有效利用。因此,本文以 酸钾(KNbO3)和五氧化二铌(Nb2O5)为主要研究对象,针对铌基材料中存在的问题,通过以下三个部分的工作,提高了铌基半导体催化剂的光催化效率,为铌基半导体催化剂的快速发展奠定了基础。一是运用水热法将KNbO3棒负载到比表面积较大且具有较强吸附能力的天然矿物材料-蛭石(VMT)上,通过吸附和光催化协同作用,有效提高了其污染物去除效果。二是合成了多孔富氧空位五氧化二铌材料(BMNb)。多孔结构有利于增加其反应位点,提高反应效率。氧空位的引入可调控催化剂能带间隙,拓宽其光谱响应范围,实现对可见光的有效利用。三是将Nb2O5与硫化铟锌(ZnIn2S4)复合以构筑Z型异质结构,抑制光生电子与空穴的复合,提高其光催化效率。具体研究内容归纳如下:1、以五氯化铌为铌源,采用水热法将KNbO3棒以阵列形式生长于VMT的内外表面,成功合成结构化的三维KNbO3/VMT材料并探究其对有机染料亚甲基蓝(MB)的去除效果。VMT是具有较大比表面积且吸附能力较强的天然矿物材料。以VMT为载体,一方面可以防止KNbO3粉末的团聚,增加反应的活性位点,降低反应回收成本;另一方面也可结合VMT较强的吸附能力,使光催化和吸附共同起作用。复合物通过吸附-降解的协同作用展示出对MB较好的移除效果。在光源照射105 min后,MB的移除率达到了 81%。此外,KNbO3/VMT合成过程中采用天然矿物材料为载体,环境友好且易于合成,因此将会是一种具有较好应用前景的用以移除有机染料的结构化光催化剂。2、成功将多孔结构和氧空穴共同引入到Nb2O5中,合成BMNb材料。氧空位的引入缩短了 Nb2O5的禁带宽度,使其光响应范围拓展到了可见光区。此外,多孔结构的引入使得BMNb的比表面积相对于前驱体有了明显的提高,从8.69 m2 g-1增加至36.24 m2 g-1。由于多孔结构和氧空位的协调作用,BMNb在可见光照射下对催化苄胺偶联反应展示出了较优的性能(280.61 μmol N-苄烯丁胺,10 h),相对于前驱体,其产量提高了 63%。本工作为设计高效的光催化有机氧化催化剂提供了新思路。3、采用水热法将Nb2O5纳米球生长于ZnIn2S4花球花瓣上以构筑双功能的ZnIn2S4/Nb2O5(ZIS/NbO)光催化剂。利用原位光照X射线光电子能谱(ISI-XPS)和电子自旋共振测试(ESR)手段证明ZIS/NbO光催化剂中Z型异质结构的形成。在模拟太阳光的照射下,优化后的复合物催化剂的光催化产氢速率(6026 μmol g-1 h-1)较单组分Nb2O5(2157 μmol g-1 h-1)和ZnIn2S4(3328 μmol g-1 h-1)均有所提高。此外,催化剂也展示出较好的5-羟甲基糠醛(HMF)氧化效果(85.5%的HMF转换率)。因此它可以作为一种双功能催化剂,在产氢的同时进行HMF氧化反应。复合物中Z型异质结的存在使得其具有更高还原氧化能力的光生电子和空穴被保留,从而使得其光催化性能相对于单独的组分均有所提高。本工作为构筑用以光催化还原和氧化同时进行的双功能催化剂提供了新的设计思路。本论文采用三种不同的设计策略,对铌基材料中的KNbO3和Nb2O5分别进行修饰,使其光催化性能相对于前驱体均得到了较好的提升。经过修饰后的铌基复合材料分别在去除有机染料污染物、光催化有机反应和水裂解产氢方面展示出了较优的性能。本论文的这些研究成果拓宽了铌基材料在光催化领域的应用,为铌基材料的快速发展奠定了基础。