利用半导体光催化的光催化技术(例如,利用太阳光光催化分解水产氢和产氧、光催化选择性有机物合成、光催化去除污染物等)被认为是解决能源短缺与环境污染问题最有前途的途径之一。目前光催化技术主要存在科学问题包括:太阳光利用率低、量子效率低、光生载流复合严重、催化转化效率低。单斜相的钒酸铋(BiVO4)是一种很有前途的可见光响应的光催化剂,其具有廉价、无毒、稳定性好、合适的价带边(约2.4eV)等优点,是光催化技术领域研究热点之一。但是目前钒酸铋做为光催化剂其量子效率仍然较低,达不到工业化应用标准。本论文从调控钒酸铋基光催化剂的微纳结构这一角度出发,调控其形貌与暴露晶面,从而达到提高其光催化性能的目的。取得具体的创新结果如下:(1)合成了高度匀称的24面BiVO4凹多面体,其主要暴露多重高指数{012}、{210}、{115}、{511}晶面。这个新颖结构的BiVO4微米晶在缺乏任何助催化剂情况下,展示出卓越的光催化水氧化产氧性能。产氧速率达到178.8 μmol h-1,比块材材料(1.3 μmol h-1)增加两个数量级。对应的表观量子效率高达30.7%(420nm),据我们所知,这是目前报道BiVO4表观量子效率的最新记录值,相比于我们最近报道的暴露高指数{132}、{321}和{121}晶面的30面的BiVO4(Adv.Mater.2018,30,1703119)增加约60%。在溶液中,可以观察到大量的O2气泡,甚至持续光照1h之后也可以观察到。高指数晶面两个明显的表面性质贡献了 24面体BiVO4微米晶优秀的光催化产氧性能。第一,{012}、{210}、{115}和{511}晶面同时暴露了未饱和的Bi和V位点,{010}和{110}晶面仅暴露了未饱和的Bi位点。V位点非常有利于水的分解。因此,在高指数表面水的解离比在低指数晶面是更加有利的。第二,相比于低指数(010)和(110)晶面,高指数(012)和(511)晶面展现出明显减小的析氧反应过电势。(2)合成了富含氧缺陷的、高百分比暴露活性{010}面的单斜相BiVO4纳米管。发现了初期产生的超薄纳米片自卷曲过程,负责形成纳米管。内建拉力渐变保持非中心对称结构驱动超薄纳米片发生自卷曲,形成管状结构。这个纳米管展现出明显增强的光催化水氧化性能和光催化5-氨基四唑选择性N=N偶联反应生成5,5’-偶氮四唑钠性能,比块材材料增加一个数量级。明显增强的光催化性能可能归因于下面的协同作用:第一,纳米管表面大量暴露{010}面有利于水分子的吸附与活化;第二,卷曲纳米片的结构扭曲也许导致部分表面氧原子逃离产生丰富的氧缺陷,其做为电子捕获中心促进光生电子与空穴的分离;第三,超薄片状结构大大地缩短了光生载流子从内部向表面迁移距离;第四,这个中空结构也许具有能够很好的捕获光子的功能,其允许入射光在内部发生多重散射与反射,导致对光的吸收明显增强。(3)基于上述独特的单斜相BiVO4纳米管,以二甲基二硫代氨基甲酸铋(Bi(dedc)3)为Bi2S3纳米带的Bi源与S源,合成了三维Bi2S3纳米带锚定的BiVO4纳米管异质结构。得益于这种特殊的异质结材料的形貌,获得的BiVO4纳米管/Bi2S3纳米带异质结构展现出明显增强的光催化还原CrⅥ活性。因为它们不仅有效提高对可见光的捕获能力,而且有效地抑制BiVO4光催化剂的光生电子-空穴对的复合。