我国经济的持续高速发展导致化石能源消耗过快,其不可再生性不但引起能源短缺,还造成严重的环境污染,直接影响经济社会的可持续发展,环境、能源问题已成为人们关注的焦点。光催化技术因为处理污染物清洁高效,激发了学者们的研究热情,该技术的核心是高活性和高稳定性半导体材料的设计和制备。g-C3N4、TiO2、CexZr1-xO2、ZnxCd1-xS等半导体由于廉价易得、结构独特、性能稳定而被广泛应用于光降解环境污染物、光催化制氢、光催化CO2还原等领域。目前,这些材料存在光响应能力不强、激子容易复合等问题,远不能满足处理污染、解决能源问题的实际需要,因此本论文拟对上述半导体进行改性,制备P-g-C3N4/Zn0.8Cd0.2S(PCN/ZS)、B-g-C3N4/Zn0.8Cd0.2S(BCN/ZS)、形貌功能化的Ce0.4Zr0.6O2固溶体(CZO)、Ru/Ti02四种半导体材料,研究上述材料在亚甲基蓝(MB)降解和CO2甲烷化反应的光催化活性、物理化学性质(微观结构、形貌、光学性质等)、化学稳定性、光催化机制。首先,采用两步法合成PCN/ZS复合材料,XRD、DRS、FT-IR、PL、TEM-EDS、XPS等表征方法证明ZS的固溶体特征、PCN的石墨状结构、P取代CN骨架中的C原子、两个半导体之间形成异质结。MB(10-4mol/L)降解实验表明,复合催化剂的催化活性D(降解效率,%)和速率常数k(一级)均随PCN负载量y的增加先增加后减小,y=0.5wt%时,D最大值为91.3%,k最大值为0.0203 min-1;PCN/ZS-0.5的活性显著高于纯的PCN(21.4%)及ZS(56.1%),这是由于异质结的作用,光致电子-空穴对的分离能力显著提高,更多激子参与反应所致;PCN/ZS-0.5(91.3%)活性高于CN/ZS-0.5(61.4%),说明P掺杂也可以提高光催化活性。其次,焙烧硼酸(硼源)和尿素(氮源)混合物制备BCN,并进一步通过沉淀法合成 BCN/ZS,通过 XRD、TEM-EDS、XPS、DRS、FT-IR、PL、EDS 和XPS表征材料的形貌、组成和物理化学性质。结果表明,BCN是2D层状结构,ZS是固溶体,B进入CN晶格中的C原子位置并成为强L酸中心,BCN和ZS形成异质结。0.1 mM的MB溶液降解实验表明,BCN/ZS-0.25呈现最高光催化活性(84.3%),高于纯的BCN(48.1%)和ZS(56.1%),这是因为异质结抑制光致激子的复合所致;BCN/ZS-0.25的活性(84.3%)优于CN/ZS-0.25(70.0%),说明B掺杂能提高光催化活性,这是由于B作为强L酸中心,有利于激子的快速分离和迁移;机理分析也表明,异质结加速载流子的迁移和分离。因此,BCN修饰提高了硫化物的活性和稳定性。再次,用水热法制备四种不同形貌的CZO:纳米杆纳米粒子混合物(RP,立方晶系)、纳米多面体(PH,四方晶系)、纳米球体(SP,立方晶系)和纳米蛋状物(EG,四方晶系)。XRD、Raman、EDS-mapping\SEM、TEM、XPS、N2等温吸附、NH3和C02-TPD、DRS和PRS(光电流响应)等表征方法证明材料的晶体结构、电子结构、表面结构均和形貌有关。在0.01 mM的MB溶液光解反应中,各形貌材料的活性顺序为:RP(70.5%)>EG(52.8%)>SP(47.1%)>PH(29.2%),RP活性最高,这得益于它高效的激子分离与适合于MB吸附和活化的构造性质,动力学分析表明各催化过程的一级动力学特征。用相同质量的复配物CN-RP代替RP进行上述反应的光催化活性测试,实验表明,复配物中CN含量20wt%时的活性最高(70.7%),是CN的1.6倍,说明纯组分CN与RP之间有良好的协同效应。最后,运用NaBH4还原法合成Ru/Ti02光催化材料。DRS证明随Ru沉积量x增加,复合材料的光响应能力连续提高,这归因于Ru的表面等离子共振(SPR)效应;x对材料的激子分离能力(PL结果)的影响是一把双刃剑,当0≤x≤1.0wt%时,激子分离能力随x的增加而增大,这可能是两者之间分离激子的有效界面面积增加所致;过量负载时,变化趋势刚好相反,原因可能是过高负载量导致新电荷复合中心的生成。CO2甲烷化反应的研究结果显示,主产物CH4、副产物CO和C2H6的产量随x的增加先增加后减少,在x=1.0wt%时,CH4、CO、C2H6的产量最高,分别为59.3、10.1和6.6 μmolg-1 h-1。这种变化趋势主要是由于材料的吸光能力和载流子分离能力都增加时(x≤1.0wt%),光催化性能提升;两种因素变化趋势相反时(x>1.0wt%),后者为主导因素,所以性能下降。研究也表明,比表面积(SBET)等构造性质不是影响活性的主要因素。用相同质量的复配物CN-RT代替1.0-Ru/TiO2进行模型反应的光催化活性测试,结果表明,复配物中CN含量30wt%时的活性最高(甲烷产率62.2 μmol g-1h-1),其活性明显高于CN(痕量),这说明CN和RT之间存在协同机制,能加速载流子分离,有利于CO2和H2的活化。