随着煤炭、石油等化石燃料的日益枯竭,人类正面临着巨大的能源危机,而消耗这些化石燃料的同时也带来了严重的环境污染问题。半导体光催化能够利用丰富的太阳能来分解水产氢、降解有机污染物和还原二氧化碳,这对全球新能源开发和环境治理有重要的意义。不过,以二氧化钛为代表的传统异相光催化材料带隙很宽,只能吸收太阳光中少量的紫外光部分；同时,其光生载流子容易复合,量子产率较低。为了使光催化技术进一步走向实用化,充分发挥其在氢能源开发、环境净化以及二氧化碳处理等方面的优势,发展新型高效的可见光光催化材料体系是必然趋势。近年来的研究发现,铋系化合物具有优异的可见光光催化活性,这就为发展实用高效的半导体光催化提供了重要的基础。任何材料的性能都是由其结构决定的,这些结构涉及晶体结构、电子结构、表面和界面结构等。同时,这也给人们提供了通过改变材料结构来优化提高其性能的途径。对半导体光催化材料而言,其光催化性能受光谱响应范围和载流子分离效率的影响,因此,可以通过改变半导体光催化材料的结构来促进其光谱吸收和载流子传输,进而实现高效的可见光光催化性能。在本论文中,我们重点研究了铋系层状化合物材料,其独特的层状结构使得光生载流子在层间能够有效的分离和传输；另外,铋系层状化合物的层间离子具有很高的活性,可以发生嵌入、剥离、柱撑和离子交换等反应来改变结构,优化其光催化性能。根据结构和性能的相互关系,通过对铋系层状化合物进行结构设计、可控合成以及功能化组装,来获得高效的可见光光催化材料。在第一章中,我们首先介绍了半导体光催化的基本原理,主要应用以及可见光光催化材料的研究进展。其次说明了半导体材料的结构和光催化性能的关系。接着介绍了层状化合物的结构特点和插层化学,并对铋系层状化合物进行了简单描述。最后阐述了该论文工作的选题意义、研究思路和主要研究内容。在第二章中,我们研究了微结构调控,尤其是三维的分等级结构对铋系层状化合物光催化性能的影响。(1)利用微型乳液辅助溶剂热法合成出了三维分等级结构的BiOBr空心微球。通过选择不同的溶剂,制备出了不同形貌的BiOBr材料。系统研究了BiOBr样品的形貌、结构及光吸收性质,初步探讨了BiOBr空心微球的生长机理。利用可见光下若丹明B染料的降解和六价铬离子的还原来评价了BiOBr空心微球的光催化活性,并研究了BiOBr的不同形貌对其光催化性能的影响。(2)利用阴离子交换反应制备出了分等级结构的Bi2WO6空心微球。结合Kirkendall效应,探讨了Bi2WO6空心微球的形成机理。研究了反应温度对产物物相的影响。系统研究了Bi2WO6空心微球的光吸收和氮气吸附等性质。通过可见光下还原CO2来评价了其光催化活性,发现Bi2WO6空心微球能够有效的还原CO2为甲醇,结合CO2吸附和红外光谱对其机理进行了研究。(3)通过低温湿化学方法合成了分等级结构的Bi2O2CO3微米花。通过改变前驱体溶液中的Bi3+/CO32-摩尔比,得到不同形貌的Bi2O2CO3微结构。研究了Bi202CO3样品的结构和形貌特征,通过观察反应过程中间的产物,并结合材料的晶体结构,提出了Bi2O2CO3微米花可能的生长过程。利用甲基橙染料的降解评价了Bi2O2CO3样品的光催化性能,并研究了不同形貌对其光催化活性的影响。在第三章中,我们研究了铋系层状化合物复合材料的光催化性能。(1)利用水浴法合成出了不同组分的AgI/BiOI纳米复合材料。表征了AgI/BiOI纳米复合材料的结构、形貌和光学性质。利用甲基橙和苯酚溶液的降解来表征复合材料的光催化性质,并研究了AgI含量对复合材料光催化性能的影响。探讨了AgI/BiOI纳米复合光催化材料的高活性和稳定性的原因。(2)结合贵金属纳米粒子的表面等离子体效应,设计和制备了高效的Ag/AgBr/BiOBr纳米复合光催化材料。探讨了BiOBr的分等级结构对离子交换反应制备AgBr纳米粒子尺寸和分散性的影响。系统研究了复合材料的结构、形貌和光吸收等性质。通过降解有机污染物和杀菌来表征复合材料的可见光光催化活性。结合贵金属Ag纳米粒子的表面等离子体效应和复合半导体的性质,对Ag/AgBr/BiOBr纳米复合材料的高效光催化性能进行了合理解释。(3)根据窄带隙半导体纳米粒子的量子尺寸效应,设计出和合成了新型高效的Bi2S3纳米粒子/BiOCl复合光催化材料。研究了不同硫源对制备的Bi2S3纳米颗粒尺寸的影响,进而调节Bi2S3纳米粒子/BiOCl复合材料的光吸收。研究了复合材料的结构和形貌等特征。利用2,4-二氯苯酚的分解来评价了Bi2S3纳米粒子/BiOCl复合材料光催化活性,并研究了Bi2S3纳米粒子的尺寸对该复合材料的光吸收和光催化性能的影响。结合Bi2S3纳米粒子的量子尺寸效应和复合半导体材料的性质,探讨了Bi2S3纳米粒子/BiOCl复合材料的光催化反应过程机理。在第四章中,我们研究了晶体结构和电子结构调控对铋系化合物光催化性能的影响。(1)采用湿化学法,通过控制反应条件制备出了三种晶型的Bi203材料,分别为单斜相α-Bi2O3、四方相的β-Bi2O3和立方相的δ-Bi2O3。表征了不同晶型的Bi2O3材料的结构.形貌和光吸收等性质.利用甲基橙染料和对氯苯酚溶液的降解来评价了Bi203的光催化性能,发现其催化活性遵循β-Bi2O3>α-Bi2O3>δ-Bi2O3。探讨了晶体结构和电子结构的协同效应对不同晶型的Bi203光催化材料的载流子传输和光谱吸收的影响,揭示了β-Bi2O3作为一种高效的可见光光催化材料。(2)利用高温淬火法合成出了Bi20TiO32亚稳相材料。研究了制备过程对Bi20TiO32物相结构的影响。对材料的结构、形貌和光吸收等性质进行了表征。利用可见光下甲基橙染料的降解来评价Bi20TiO32材料的光催化性能。通过对Bi20TiO32材料的能带结构计算,初步探讨了其光催化过程的机理。在第五章,对本论文的工作进行了总结,分析和讨论了现有研究工作存在的问题,并对未来的工作进行了展望。总之,铋系层状化合物材料具有良好的可见光光催化活性,可同时解决可见光吸收和载流子分离问题。根据结构和性能的相互关系,通过结构设计、功能化调控来优化提高铋系层状化合物的光催化性能,对于光催化在环境治理和二氧化钛还原等方面的实用化有重要意义。