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传统工业流程的高能耗和高污染导致了三个全球性问题:资源短缺、环境污染和生态破坏。人口增长和社会进步使上述问题愈演愈烈,急需改革技术以突破能源壁垒、解决环境危机。太阳能是一种清洁、可再生能源,高效开发和利用太阳能得到全世界的重视,也是我国可持续发展战略的重要内容。光催化技术就是一种在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术,可实现对太阳能的直接利用。其中利用光催化技术处理水体中的有机污染物,既解决了水体污染的问题又避免了传统处理工艺中化石能源的消耗和新增污染物的排放,因而受到人们广泛的关注。传统光催化剂存在能带宽、光吸收差、光生载流子复合快等缺陷,光催化降解效率有待进一步提高。碳量子点(CDs)作为一种新型的碳纳米材料,具有许多优异的光学和电学性质。比如上转换荧光性质、强的光吸收能力、优异的光生载流子接收和转移能力等。近年来,人们发现将CDs担载到传统光催化剂上,可大大提升光催化剂的光催化性能,相关研究已经成为光催化领域的研究热点。基于此,本论文将CDs引入到铁酸钴(CoFe204)和石墨相氮化碳(g-C3N4)上构筑了复合光催化剂,考察了 CDs负载量对复合光催化剂可见光降解有机染料催化活性的影响,探讨了光催化机理。具体研究内容如下:(1)以石墨棒为碳源,采用碱辅助电化学法从石墨电极上剥离并纯化出了 CDs,光致发光(PL)测试结果显示其具有优异的上转换荧光性质和光吸收能力。以乙二醇(EG)为软模板,在反应釜中采用溶剂热法合成出了铁酸钴纳米粒子,并将不同质量的CDs负载在铁酸钻纳米粒子上得到一系列具有不同CDs含量的CDs/CoFe204复合催化剂。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、N2吸附-脱附、能量色散X射线光谱仪(EDX)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂的物相、结构、形貌和组成进行了分析。在可见光驱动下催化降解模拟有机污染物亚甲基蓝(MB)的实验中,碳量子点负载量为4%的铁酸钴的催化活性最好,比纯铁酸钴高出1.64倍,当加入少许过氧化氢(H202)后提高为3.65倍。通过对催化剂光电性质的表征分析,探讨了在该体系光催化机理。(2)针对第一个体系中复合催化剂对有机物的直接降解活性不高的问题,我们通过构筑大比表面积、多孔和表面带有电荷的复合催化剂,提高催化剂表面的活性中心数和有机物在催化剂表面附近的富集程度,由此实现在可见光作用下对有机物的快速降解,并考察了复合催化剂中异质结和表面电荷的作用。以硝酸铬和对苯二甲酸为原料,利用Cr(ⅥI)和对苯二甲酸之间的配位作用,在反应釜中合成并提纯得到了有机金属框架(MOF)材料MIL-101(Cr)。将碳源(柠檬酸)和离子液体(1-胺丙基-3-甲基咪唑溴盐)按一定比例装载到MIL-101(Cr)的牢笼中,经过简单的热解反应制备得到了平均粒径为4nm,且粒径分布较窄的粒子液体功能化的CDs。以三聚氰酸和三聚氰胺在二甲基亚砜(DMSO)中自组装形成的超分子为前驱体,高温煅烧制备得到了由厚度约为12nm片层堆叠而形成的g-C3N4微球。SEM和TEM显示微球上的片层之间存在大量空隙结构。N2吸附-脱附测试显示g-C3N4微球的比表面积达到95.1 m2/g。基于静电作用、π电子堆叠作用和酰胺键作用,将不同质量CDs引入到g-C3N4微球上调控了 g-C3N4微球的光催化性能。Zeta电位、XRD和XPS测试结果证实了 CDs和g-C3N4微球之间强烈的相互作用,随CDs含量增加不仅使g-C3N4微球表面电荷从负电荷转变为正电荷,而且CDs和g-C3N4微球之间形成了异质结结构。为了剖析表面电荷和异质结结构对复合光催化剂可见光催化降解性能的影响,分别考察了复合光催化剂光降解阴离子染料(亚甲基橙和亚甲基蓝)、阳离子染料(罗丹明B)和中性污染物(对硝基苯)的性能。采用活性组分捕获实验结合光致发光(PL)、电化学阻抗(EIS)、光电流、XPS价带谱和紫外-可见漫反射(UV-Vis)分析了复合光催化剂的光催化机理。结果显示,复合光催化剂光降解阴离子染料和中性污染物的活性明显高于g-C3N4微球,而降解阳离子染料的活性低于g-C3N4微球。这些现象表明异质结可通过促进光生载流子的分离而显著提升g-C3N4微球的光催化性能,表面电荷有时是主导因素,可通过静电吸引或排斥污染物分子而促进或抑制g-C3N4微球的光催化性能。