21世纪以来,我国经济和工业快速发展,汽车和工厂数量迅猛增长,给我们赖以生存的环境造成了很大的压力,尤其是空气污染。近些年来出现的酸雨、雾霾、光化学烟雾、PM 2.5超标、臭氧层被破坏和全球变暖等事件,这些空气污染事件给人们的身体健康和日常出行造成了很大的危害。造成以上空气污染事件的罪魁祸首之一就是氮氧化物NOx(包括NO和NO2)。随着经济水平的不断提高,人们对环境保护的意识也在不断地增强,中国共产党第十八次全国人民代表大会提出了“生态文明建设”的战略决策,高度重视“生态环境保护”和“建设美丽中国”。为了净化空气,目前已有一些传统的处理废气中NOx的方法,如吸附法、选择性催化还原法、选择性非催化还原法等,但这些方法均偏向于高浓度NOx的处理、且不能实现NOx的完全降解。为了满足人们对洁净空气的需求,对于低浓度NOx(十亿分之一,ppb级)的降解成为了人们关注的重点。目前,基于半导体的光催化技术已被验证是一种经济环保、廉价低毒的降解低浓度NOx的有效策略。石墨相氮化碳(g-C3N4)和铋系等半导体光催化剂材料凭借其合适的带隙、良好的可见光响应和优异的光催化性能在处理低浓度NOx的应用中脱颖而出。本论文以g-C3N4和铋系(Bi2WO6、Bi2O2CO3等)光催化材料为基底,通过控制光催化材料的形貌来调控其比表面积和活性位点,采用可见光响应较好的有机小分子(如花酰亚胺PI)或者无机半导体材料(如黑磷BP、钒酸铟InVO4、二硫化钼MoS2等)对光催化剂进行改性,引入高导电性的材料(如黑磷、石墨烯等)以增强载流子的迁移速率,此外,还有效地实现了光催化剂的固定化(如将光催化材料修饰到碳纤维膜、气凝胶上)。我们将所制备的g-C3N4和铋系纳米复合材料用于环境修复领域中低浓度NOx的处理,为了拓宽g-C3N4和铋系纳米复合材料在环境修复和新能源研究领域的应用,我们还将其用于光解水产氢和处理废水中有机污染物的研究。(1)制备了苝酰亚胺改性的石墨相氮化碳/石墨烯三维气凝胶材料(PICNGA),并将其用于环境修复领域中光催化处理空气中低浓度NOx的研究。采用共聚合的方法将平面性好、可见光响应强的花酰亚胺分子修饰到g-C3N4的表面,不仅拓宽了g-C3N4对可见光吸收的范围和强度,同时有效地抑制了光生电子(e-)和空穴(h+)的复合且提高了光生载流子迁移速率;再引入具有自组装性能的石墨烯材料,利用水热法制备出了三维的气凝胶材料。PICNGA在光催化降解低浓度NO实验中表现出优异的光催化活性、稳定性和循环性,光催化氧化600 ppb NO的最高效率达到66%。(2)为了使g-C3N4光催化材料暴露更多的活性位点,我们制备了基于氮化碳量子点的气凝胶材料并用于光催化处理空气中低浓度NOx。采用剥离法将块状g-C3N4制备成平均直径为3 nm的氮化碳量子点(CNQDs),然后将CNQDs均匀地修饰到石墨烯的表面,再与无机半导体InV04形成一种具有异质结结构的3D气凝胶。CNQDs/GO-InVO4(CNQDGIV)气凝胶在可见光作用下也表现出良好的光催化活性,降解NO的最高效率达到65%。(3)为了增强g-C3N4材料对可见光的吸收,我们在g-C3N4体系中引入了一种新型的具有独特光化学/电化学性质的二维BP材料,大大拓宽了 g-C3N4纳米复合材料的光响应范围和强度。此外,为了增强光催化剂表面NO的浓度,我们将具有NO吸附性能的金属有机框架材料HKUST-1通过层层自组装的方法修饰到多孔g-C3N4的表面(PCN-HK);最后,将BP/PCN-HK修饰到导电碳纳米管膜上,有效实现了光催化纳米复合材料的固定化。我们首次将BP材料引入到环境修复的气体污染处理领域,且BP/PCN-HK膜表现出优异的光催化性能,光催化氧化NO的效率高达74%,远高于其他g-C3N4基材料。此外,BP/PCN异质结在光解水产生氢气领域也表现出了优异的性能,产氢速率为7380 μmol h-1 g-1。(4)为了丰富光催化氧化NOx纳米材料的多样性,我们对铋系光催化材料也展开了研究。利用简单有效的方法制备了一种Z-型2D/2D BP/单层Bi2W06纳米片异质结复合材料(BP/MBWO),将单层的较小的Bi2W06纳米片负载到较大的BP纳米片上,构成了完美的异质结结构并有效解决了界面效应问题。BP/MBWO异质结在光催化氧化低浓度NOx和光解水产生氢气实验中均表现出优良的光催化性能,光催化氧化NO的效率高达67%,光解水产氢速率为21042 μmol g-1。该部分工作不仅拓宽了BP的应用范围,还提高了其在处理环境污染和可再生能源问题方面的应用前景。(5)为了提升光催化材料的实际应用价值,我们利用静电纺丝法和水热法成功制备了碳酸氧铋(Bi2O2CO3)光催化膜,并将其用于环境修复。首先,通过静电纺丝和煅烧的方法制备碳纤维膜(CNFs);再通过水热法将玫瑰花状的光催化剂Bi2O2CO3修饰到碳纤维表面;然后,在Bi2O2CO3表面修饰一层薄的MoS2片构成异质结(BOC-MoS2-CNFs膜)。BOC-MoS2-CNFs膜在光催化处理空气中低浓度NOx中表现出良好的效果,最高效率达到68%。为了进一步拓宽碳酸氧铋光催化膜在环境治理中的应用范围,我们将碘元素掺杂的Bi202CO3修饰在CNFs表面(CNFs@IBOC),不仅可以降低Bi2O2CO3的带隙和增强对可见光的响应,还可以将Bi2O2CO3的形貌改变成片状;再在CNFs@IBOC表面修饰MoS2片构成异质结CNFs@IBOC-MoS2。CNFs@IBOC-MoS2膜在光催化处理废水中有机物实验中也表现出优异的光催化性能,50 mg CNFs@IBOC-MoS2膜在5分钟内可以将RhB溶液(50 mL,1×10-5 M)完全降解。本论文中,我们制备的g-C3N4、铋系光催化纳米复合材料不仅在光催化降解空气中低浓度NOx方面表现出优异的性能,而且在光催化处理废水中有机污染物以及光解水产氢中表现出惊人的效果。本论文为采用半导体材料光催化技术解决环境修复和新能源问题的研究打下了良好的基础。