近年,发展环境友好和可持续发展的绿色能源引起人们日益关注。环境友好的可再生能源包括风能、水能、地热能、生物质能、太阳能等。太阳能和生物质是自然界中的两大可再生能源。其中,太阳能因其巨大的储量以及广泛的分布,被认为是最理想的可再生能源。太阳能辐射到地球大气层的能量仅占其总能量的22亿分之一,但是足够人类使用3000多年。目前人类通过光热转化、光电转化、光化学和光生物转化等方式实现了对太阳能的利用,其中,光催化作为一种清洁、温和、环境友好的技术已经引起工业界和学术界越来越多的关注。生物质同太阳能一样具有分布广泛,储量丰富的特点。全世界每年约产生1700亿吨生物质,但人类利用生物质仅约占总量的3.5%。生物质中尤以纤维素、半纤维素和木质纤维素储量最为丰富。生物质的转化方式主要有高温热转化、化学转化、物理转化、生物转化等。而利用太阳能转化生物质为燃料是解决能源危机和环境问题的有效途径之一,这一新研究方向近年备受关注。因此,本论文主要围绕利用光催化转化生物质及其催化反应展开研究。本工作的主要创新点包括:(1)首次利用光催化方法,重组溶解在NaOH/尿素水体系中的纤维素分子,并高效制氢;(2)以过渡金属铱(Ir)纳米颗粒作为光热催化剂,在可见光、温和条件下实现纤维二糖的水解;(3)通过一步凝胶法以不同的钛前驱体制备锐钛矿二氧化钛微球(TiO2 microsphere,TMS),光照下高效降解染料罗丹明B(rhodamineB,RhB);(4)以硫酸氧钛为前驱体,通过一步凝胶法制备大比表面积和尺寸可控的锐钛矿TMS,并用于高效还原水中六价铬;(5)首次在甲壳素微球(chitin microsphere,NCM)上成功负载银纳米粒子(Ag nanoparticles,AgNPs),并高效催化烯烃环氧化反应。本论文主要研究内容和结论包括以下五个部分。将纤维素溶解在NaOH/尿素水溶液制得纤维素溶液。通过光学显微镜、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和核磁共振碳谱(nuclear magnetic resonance,13CNMR)证实纤维素分子已分散在NaOH/尿素水溶液中,并且形成均相体系。直接利用光催化重整纤维素制氢,结果证明以Pt-TiO2为催化剂,纤维素在NaOH/尿素水溶液中的制氢效率比悬浮在水中的纤维素制氢效率提高近5倍。同时研究光催化剂、晶相、金属助催化剂、Pt担载量、温度等因素对光催化反应的影响,得到光催化重整纤维素制氢最优活性为2870μmol/h/g。在研究中,NaOH/尿素水溶液对纤维素高效光催化制H2(2870 μmol/h/g)有以下重要作用:(1)溶解在NaOH/尿素水溶液中的纤维素分子更容易与光催化剂接触;(2)相对于未溶解的纤维素分子内大量的分子内和分子间氢键,NaOH/尿素水溶液中的纤维素更容易被氧化断键;(3)反应生成的CO2通过与NaOH反应,促进光催化反应进一步进行。本工作提供了生物质在温和的光催化条件下制氢的可能性,开辟可再生新能源利用的新天地。通过浸渍法制备铱-氧化镁(Ir/MgO)催化剂,通过透射电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM)、XRD、X-射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)以及紫外-可见光谱(ultraviolet visible spectrum,UV-Vis)等表征方法,证明Ir纳米粒子成功引入MgO表面。利用Ir/MgO的光热效应,在可见光辐照的温和条件下可实现纤维二糖水解为葡萄糖。与传统热催化相比,它是一种新的绿色方法,尤其Ir/MgO光热效应大大降低反应温度。同时,催化剂载体、贵金属、Ir的负载量、焙烧温度及光照强度对于纤维二糖的水解均有重要的影响。实验证明,Ir纳米粒子发生从光到热的转变,有利于纤维二糖的转化。本工作为通过光热转变催化剂实现纤维素的1,4-糖苷键高效断裂提供可能。通过溶胶凝胶转变以不同钛前驱体制备锐钛矿TMS,实验证明不同的含钛前驱体溶液均可通过溶胶凝胶转变制备分散良好和粒径均一的TMS。通过扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)和TEM研究其形貌与微结构,以Brunauer-Emmett-Teller(BET)法确定比表面积约为200 m2/g,XRD和拉曼光谱(Raman spectroscopy,Raman)以及XPS研究其相组成与存在状态。微球形成机制主要是TiO2纳米粒子的自发聚集,温度促进粒子联结导致介孔微球的形成。通过光催化降解RhB研究其催化活性。结果证明TMS光催化降解RhB的效果良好,并且在五次连续循环中,光催化降解的速率几乎保持不变,表明TMS很稳定,适用于去除水中的污染物RhB。该工作对控制TiO2形态提供新的方法。通过一步凝胶法以硫酸氧钛为前驱体制备锐钛矿TMS。实验证明通过调节油水比可以将TMS的尺寸控制在0.6-4 μm。通过SEM和TEM研究其形貌与微结构,BET法确定其比表面积为200-260 m2/g,通过XRD和Raman以及XPS研究TMS相组成与存在状态。微球形成机制主要是TiO2纳米粒子自发聚集,温度促进粒子联结导致介孔微球的形成。通过光催化还原含Cr(Ⅵ)废水并研究其催化活性。结果证明TMS光催化还原含Cr(Ⅵ)废水的效果良好,并且在五次连续循环中,光催化降解的速率几乎保持不变,表明TMS很稳定,适用于处理废水中的 Cr(Ⅵ)。通过低温溶解在NaOH/尿素水溶液中的甲壳素溶液,采用溶胶-凝胶转化法制备出纳米纤维组成的NCM。用柠檬酸酸钠原位还原硝酸银制备AgNPs,并将其固定在甲壳素纳米纤维上,得到甲壳素纳米纤维和AgNPs组成的复合微球(NCM-Ag)。SEM和TEM以及XRD证明AgNPs附着于纳米纤维上,而且AgNPs 的尺寸可以控制在 10-70 nm。XPS 和红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)结果表明甲壳素和AgNPs的相互作用是通过甲壳素纳米纤维对AgNPs的配位键。NCM-Ag具有良好的纳米多孔结构和高表面积,在有机溶剂中具有很高的稳定性。同时,在烯烃与环氧化合物(特别是苯乙烯-苯乙烯环氧化合物)的催化反应中,NCM-Ag的选择性高达90%。这工作为构建以纳米纤维组成的NCM为载体固定贵金属纳米颗粒开辟了绿色新途径,显示出潜在的应用前景。本学位论文利用光催化技术,实现了从生物质到能源和化学品的有效转化,并有效去除废水中的污染物。这为合理利用太阳能和生物质提供了新的思路和方法。这些基础研究结果具有较大的学术价值和创新性,同时符合可持续发展战略的要求。因此本论文具有科学意义和应用前景。