在能源和环境危机日益严重的情况下,利用新技术处理污染问题,发展新的可再生能源是目前能源环境研究领域急需解决的问题。在新兴能源方面,早在70年代,Fujishima和Honda利用TiO2成功地在光电条件下进行了水分解制氢实验。这种把光能成功地转化为清洁能源而被储存在化学键中的方法被认为是光电化学研究历程中的一个重要突破。这次实验成功激发了研究者通过半导体催化剂将太阳能转换为洁净氢能的研究热潮。光催化剂在产氢过程中的效率主要依赖于光催化剂自身的结晶性,带隙结构等因素。其中光生载流子的高复合率是几乎所有半导体材料固有的特性,它是导致光催化过程中光子利用率低、产氢效果差的主要原因之一。因此,设计一种新型的催化剂结构来诱导电子空穴分别向不同的方向迁移,以此来提高光催化效率的方法成为光催化领域最为重要的研究方向。在环境危机方面人们也面临着严峻的挑战,特别是工业染料污染中大量的带有苯环的难降解有毒物质给人们的正常生活带来了极大的困扰。选择一种高效,环保的有机物降解方式是解决环境污染问题的重要途经。作为一种能够高效降解或矿化有机污染物的方法,高级氧化法(AOPs)是在1987年被科学家Glaze首次提出。AOPs技术包括超声催化分解、光催化分解、射线辐射分解、UV/O3、UV/H2O2、Fenton、光Fenton等依赖于活性物质的反应过程。与传统的AOPs相比,声催化分解技术因其环境友好、操作方便等优点受到越来越多的关注。声催化分解有机染料主要依赖于超声波作用于溶液后引起的空化作用而产生的局部高温,高压和发光现象,利用在这一过程中产生的氧化自由基具有的强氧化作用实现对有机污染物的降解。所以合理的增强空化作用是提升超声催化分解效率最为有效的方法。钛酸锶作为一种最为典型的ABO3型钙钛矿材料,其具有组分多样可调,结构稳定,易合成等多种优良的物理化学性质。特别是钛酸锶在超声作用的极端条件下仍能保持良好的催化稳定性,这些特点使其在能源和环境领域都有良好的应用前景。在本文工作中主要以钛酸锶为本体材料对其合成过程,表面结构等物理化学性质进行探索。作者通过在样品合成过程中加入表面活性剂来增强样品的润湿性,在钛酸锶表面负载电子受体改变样品表面电子结构,利用原位碳化形成表面异质结等方法来探索提升样品光催化性能的新型结构。另外作者还通过元素掺杂对材料组分,晶格结构,带隙组成,表面微观结构等方面的讨论揭示超声催化过程中氧化自由基降解有毒有机物的原理和提升光催化分解水效率的方法。作者还通过第一性原理计算揭示了样品在掺杂或是表面修饰之后的电子密度分布和能带结构的变化。文章的主要内容分为六个部分:第一部分是研究背景和文献综述的介绍。首先是针对光催化过程理论基础的分析,光催化整体效率的计算方法介绍,最新光催化材料的研究和新型催化剂结构的探索。其次讨论钙钛矿材料的结构特点,合成方法,催化性能研究基础和目前的研究进展。最后讨论钛酸锶材料在光催化研究方面的优势和目前可能的研究方向。第二部分,利用双亲型聚合物聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷(PEO-PPO-PEO,P123)作为模板剂合成了表面包裹有P123的钛酸锶纳米颗粒。P123的亲水基团聚环氧乙烷暴露在样品外侧,所以在包覆P123之后样品的亲水性得到了很大的提高。表面润湿性的改善有利于样品在溶液中的分散,降低了水分子的吸附能,同时加快了载流子与水分子反应的频率。同时,聚环氧乙烷(PEO)对质子有良好的亲和力,有助于载流子的转移。表面修饰是调控半导体颗粒光催化产氢性能的关键策略。光催化测试结果表明,包裹有P123的钛酸锶纳米颗粒在不添加任何助催化剂的情况下,样品的光催化产氢量能显著提高至402μmol·g-1·h-1,同时样品也保持了良好的循环稳定性。相比于纯的钛酸锶颗粒,这种表面包覆亲水性物质的钛酸锶颗粒将光催化产氢效率提升了 31倍。而P123的模板作用使得合成出来的样品比表面积只是提高了 5倍。这种利用亲水性聚合物基团对载流子定向迁移的方法不仅可以提高光催化效率还可以利用聚合物来提升样品的表面稳定性。表面亲水性有机异质结的构建为光催化材料的设计提供了一种新的思路。第三部分,为了抑制样品载流子的重新复合并提升光催化效率,通常过渡金属氧化物异质结和以贵金属为基础的助催化剂在光催化分解水制氢中是必不可少的。然而,从环境和经济的角度来看,避免这类材料的使用是非常重要的研究方向。同时异质结的构建和贵金属的负载合成方法较为复杂。在这项工作中,作者通过溶剂热的方法将乙二醇分子原位固定在SrTiO3纳米颗粒(EG@STO)的表面上。作者通过理论计算,得到了样品表面的电子密度分布。乙二醇分子负载后,SrTiO3表面上的电荷密度下降,电子向乙二醇迁移,这使得样品内外形成了内建电场,加速了载流子向样品表面的迁移速率。在没有其他助催化剂的条件下,作者对EG@STO进行光催化分解水产氢测试。在300瓦的氙灯光源照射下样品可以达到237 μmol·g-1·h-1的产氢效率。此外,EG@STO在32小时的长期反应后仍然保持催化活性稳定。通过对循环反应后的样品进行测试发现钛酸锶本体和乙二醇仍能长期保持结构稳定。也就是说,EG分子被设计成一种高效稳定的新型助催化剂,为更好地实现半导体光催化氢还原提供了一种新的途径。第四部分通过原位碳化的方法合成了一种可见光条件下催化产氢材料,碳包覆钛酸锶材料。在过往研究中元素掺杂和表面氧化物异质结通常被用来拓展材料光谱吸收范围,但是这些方法合成过程复杂,而且掺杂过程在样品的内部区域形成缺陷会成为载流子重新发生复合的位点,进而限制催化反应的效率。在这一部分的工作中作者合成了一种环保,成本低,高效的可见光催化材料C@STO。钛酸锶表面的石墨化碳极大的促进了样品表面的导电性,也实现了钛酸锶和表面物质之间的直接载流子迁移。在全光谱和可见光条件下分别实现了 440μmol·g-1·h-1和45 μmol·g-1·h-1的光催化产氢效率。另外,作者在可见光条件下对样品进行了 24小时的催化产氢稳定性测试,验证了样品的长期催化活性。XRD和同步辐射X射线近边吸收谱被用于验证样品的晶体结构和表面化学态的稳定性。这种原位碳化方法为样品光催化效率的提升和实现宽带隙半导体材料的可见光催化提供了新思路。第五部分,在某些特定的情况下,声催化降解可能比传统的催化方法更适合于处理污水中的有机污染物。但其实际应用受到降解效率低的限制。在本次工作中,作者介绍了利用钛酸锶材料的超声分解技术在环保方面的应用,并利用水热法合成了不同铬掺杂浓度的钛酸锶样品(Sr1-x%Crx%TiO3),研究其在超声催化领域的高效性和实用性,并探索了超声催化机制。铬元素的掺杂导致了钛酸锶晶格中的对称性降低,使最终得到的样品颗粒表面粗糙化,总体孔体积上升。大量孔洞的出现会改变样品的比表面积,提高样品的气体吸附性能,促进空化作用的发生。最优铬掺杂浓度下的钛酸锶在超声辐照(53 KHz,350W)下可以在10分钟内对罗丹明B(5mg/L)实现95.4%的降解。本次工作还系统地验证了部分氧化活性自由基在降解过程中的作用。此外,为了研究样品的普适性,作者对多种有机染料进行了测试,结果显示铬掺杂的钛酸锶样品对罗丹明B(RhB),甲基蓝(MB)和甲基橙(MO)等有机染料的催化降解效果是普遍存在的。第六部分,对论文中所有研究内容的总体概括和后期的研究展望。