光催化技术的能量源于清洁且取之不尽的太阳光,具有经济高效、环境友好等优点,能够实现太阳能向化学能的转化。而目前针对光催化技术的开发和应用研究,大多为粉末型半导体材料,虽然具有较大的比表面积,但在水体中使用时往往容易发生团聚,进而使催化剂失活,且使用之后需要借助过滤、离心等附加机械处理方式才得以分离回收。因此,通过对半导体材料的选择、结构的设计和光催化实施方式等方面的探索来制备活性高、结构稳定、性能优良且易于回收及重复利用的可见光催化复合材料,引起了光催化领域的研究者们的广泛兴趣。层状双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxides,LDHs)又称类水滑石,是一类由两种或两种以上金属元素构成的金属氢氧化物。它具有突出的结构可调控性,可通过改变其组成来获得优异的可见光响应性,使得基于其制备的光催化复合材料对光的吸收和利用率大大增强;同时,其独特的层状结构提供了大的比表面积,使活性位点得到充分暴露。此外,层状双金属氢氧化物在一定的高温处理后,可转变为具有更高结晶度、更好电荷转移效率和更强可见光响应的双金属氧化物(Mixed Metal Oxides,MMOs)。因此,本论文基于层状双金属氢氧化物及其双金属氧化物构建了一系列具有较大的比表面积、丰富的活性位点和较强的可见光响应等特点的光催化复合材料,用于可见光驱动下水体中污染物的无害化去除,并且通过泡沫镍载体的负载和磁性的引入使得材料能够方便地回收和重复使用。(1)首先通过电沉积法在泡沫镍表面生长具有紫外光响应的ZnO纳米片,然后在水热条件下进一步修饰具有良好可见光响应的ZnFe-LDH纳米片,得到负载于三维泡沫镍表面的二维-二维ZnO@ZnFe-LDH异质结复合材料(Ni foam@ZnO@ZnFe-LDH)。由于其载体为导电性能良好的多孔性金属泡沫镍,因此可直接作为光阳极用于光电催化体系中。用氙灯光源对其进行辐照的同时施加一个0.5V的偏压,可同时在210min内使水体中的有机染料(酸性红1,10 mg/L)和六价铬重金属离子(Cr(VI),10mg/L)完全去除,并且在五次重复使用后仍然保持良好的稳定性。(2)p-n异质结的内建电场有利于促进光生载流子的分离。我们通过两步水热法在三维泡沫镍表面分别修饰二维NiFe-LDH纳米片和一维Co3O4纳米线而得到负载于泡沫镍表面的p-n异质结复合材料Ni foam@NiFe-LDH/Co3O4。该材料也可直接作为光阳极用于光电催化体系中以去除水体污染物。由于p-n异质结的形成,在半导体复合材料的内部形成内建电场,提升了光生电子和光生空穴的分离效率。同时,光生电子在外加电压作用下沿外电路转移至对电极,进一步增强了光生载流子的分离效率。将得到的复合材料用于光电催化体系中,在可见光和0.7 V的偏压共同作用下,120 min内可使水体中的双酚A(10 mg/L)和Cr(VI)(10 mg/L)完全去除。同样地,该负载型异质结复合材料在循环使用时表现出便利的分离效果和良好的稳定性。(3)中空纳米结构能提供催化剂以大的比表面积和丰富的活性位点,并且中空结构的内腔可以对入射光进行多次散射或反射,有利于提高材料对光的吸收和利用。首先,通过在空气中煅烧经溶剂热法制备的In-MIL-68得到一维中空In203纳米管。接着通过先电沉积后煅烧的方法得到以一维中空In2O3纳米管为“核”、二维层状锌铁双金属氧化物纳米片为“壳”的一维-二维异质结复合材料In2O3@ZnFe2O4。该材料中空结构的内腔和表面的二维纳米片不仅有效减小了体积扩散长度以加速光生电子-空穴对的分离,而且其提供的大比表面积和丰富的活性位点有利于光催化反应的进行。此外,In2O3@ZnFe2O4异质结有效提高了光生载流子的分离和迁移,使光生电子和光生空穴直接复合的概率大大降低。因此,该异质结光催化复合材料可在30 min内使水体中低浓度四环素(50mg/L)的去除率达到90%,且在十次循环后性能没有明显减弱。同时,由于其良好的铁磁性,可在实际的使用中表现出便利的分离效果。综上,本论文通过构筑基于层状双金属氢氧化物的异质结复合材料,有利于光催化复合材料拓展光吸收范围、提高可见光利用效率,有助于促进光生电子和光生空穴的分离;此外,光电协同催化的实施方式和不同维度及中空结构催化剂的特殊设计在一定程度上提高了异质结复合材料催化剂的催化活性。