光催化技术由于具有清洁环保和高效的优点,被视为解决目前能源危机和环境污染问题的理想途径之一。因此,开发稳定、高效且廉价的光催化剂已成为目前的一项重要研究课题。近年来,低维过渡金属化合物半导体材料由于展现出较好的耐热性和抗毒性,受到了研究者们的广泛研究。大多数过渡金属的d轨道能级处于半充满状态,容易形成变价金属,从而构成反应的活性中心,有利于催化反应的进行。然而,大多数过渡金属化合物光催化材料的光吸收范围较窄,光生载流子复合几率较高,使得它们的光催化效率不高,限制了它们在光催化领域中的应用。针对以上问题,本论文以低维过渡金属氧化物（Bi₃TaO₇纳米粒子）和硫化物（CdS纳米粒子、CuInS₂/ZnS量子点）为研究对象,以提升它们的光生电子-空穴分离效率为核心,通过贵金属负载、构建异质结以及与生物催化剂协同作用等策略构建了相应的复合光催化体系,进一步提升它们的光催化活性。通过探索反应过程中光生电子-空穴对激发、迁移、转化过程的调控规律,获得低维过渡金属化合物光催化剂电荷分离的系统认识,为开发高效的低维过渡金属化合物光催化材料奠定基础。本论文的主要研究内容概括如下:1.低维钽酸铋（Bi₃TaO₇）基复合光催化体系的构建及其可见光降解抗生素性能研究和机理分析（1）Bi₃TaO₇纳米粒子的调控制备及其光催化降解盐酸四环素（TC）性能研究首次采用水热法调控制备了粒径为30-40 nm的Bi₃TaO₇纳米光催化剂。和高温固相反应制备的体相Bi₃TaO₇相比,水热法制备的Bi₃TaO₇的纳米粒子具有更大的比表面积,有利于吸附更多的TC分子。此外,由于Ta⁴⁺的自掺杂,Bi₃TaO₇纳米粒子中含有表面缺陷,作为有效的电荷的捕获位点,促进了光生电子-空穴对的分离,提高了光催化降解TC性能。在可见光下反应2 h后,Bi₃TaO₇纳米粒子光催化降解TC的去除率为体相Bi₃TaO₇的2倍。此外,还探究了Bi₃TaO₇纳米粒子光催化降解TC中的限制因素,如催化剂含量,TC初始浓度及pH值等对催化性能的影响。（2）Ag/Bi₃TaO₇等离子体共振复合光催化体系构建及其降解TC性能研究针对单一Bi₃TaO₇电荷分离效率依旧不高的问题,将Ag负载到Bi₃TaO₇表面构建了Ag/Bi₃TaO₇等离子体复合光催化体系。Ag的引入不仅有效拓展了复合体系的光吸收范围,而且进一步提升了电荷分离效率。与单一Bi₃TaO₇相比,复合光催化体系降解TC活性明显增强。其中Ag含量为1%时,反应120 min降解率达到85.4%,为单一Bi₃TaO₇的1.5倍。研究结果表明,Ag的等离子体共振效应使其表面形成的热电子向Bi₃TaO₇表面迁移,加快了电荷的传递,减少了光生电子-空穴的复合几率。最后,结合Bi₃TaO₇的能带结构和Ag的等离子体共振效应,提出了Ag/Bi₃TaO₇等离子体共振复合光催化体系降解TC可能的反应机理。（3）g-C₃N₄/Bi₃TaO₇直接Z-型复合异质结光催化体系构建及其TC性能研究通过Bi₃TaO₇和三聚氰胺原位固相反应构建了g-C₃N₄/Bi₃TaO₇直接Z-型复合异质结光催化体系。研究表明,g-C₃N₄/Bi₃TaO₇形成直接Z-型异质结后,显著提升了光生电子-空穴的分离效率,通过瞬态光电流响应和电化学阻抗谱进行了佐证。由于Bi₃TaO₇导带位置和g-C₃N₄价带位置更接近,因此Bi₃TaO₇导带上的光生电子更容易与g-C₃N₄价带的空穴复合,使得Bi₃TaO₇的价带空穴有更强的氧化性。同理,g-C₃N₄由于导带更负,其光生电子因此也具有更强的还原性,促进了强氧化性物种·OH和·O₂^-的生成,提高了光催化降解TC的催化性能。其中g-C₃N₄含量为50 wt%时,可见光照射90 min的降解率达到89.1%,分别为单一g-C₃N₄和Bi₃TaO₇光催化剂的3.3和1.8倍。根据自由基捕获实验和电子顺磁共振波谱（EPR）实验结果,提出了g-C₃N₄/Bi₃TaO₇复合光催化体系直接Z-型光催化反应机理。2.低维过渡金属硫化物无机-生物全细胞协同光催化体系的构建及其可见光产氢性能研究和机理分析（1）CdS/SW全细胞协同催化体系的构建及其可见光产氢性能研究利用具有可见光响应的CdS纳米粒子和表达氢化酶的革兰氏阴性菌-希瓦氏菌（Shewanella oneidensis MR-1,缩写为SW）进行耦合,从而构建了高效产氢的CdS/SW全细胞协同催化体系。研究结果显示,可见光反应5 h后,CdS/SW全细胞协同催化体系的产氢量达到275.01μmol,同单一的CdS纳米粒子（61.72μmol）相比提升了3.46倍。SW电子传递链蛋白敲除实验结果表明,CdS的光生电子主要是通过SW的氧化还原传输蛋白转移至胞内的氢化酶,最终在氢化酶上还原质子产生氢气。（2）CIZS QDs/SW胞内光敏化协同催化体系的构建及其可见光产氢性能研究利用生物兼容较好的铜铟硫/硫化锌量子点（CuInS₂/ZnS,缩写为CIZS QDs）与表达氢化酶的希瓦氏菌（SW）细胞构建了胞内光敏化协同催化体系。通过调控将CIZS QDs转移至细菌细胞内,减少了光敏化剂的电子跨膜传递过程中的能量损失,同时也避免了电子中介体的使用,进一步提升了电子利用效率。光照9h后,CIZS QDs/SW胞内光敏化协同催化体系产氢量达到491.8μmol,比纯CIZS QDs（65.3μmol）高6.5倍。基因工程敲除实验发现,氢化酶作为产氢反应活性位点,在催化产氢过程中起到了重要作用。根据氧化还原电子传输蛋白传递链敲除实验结果以及相关的文献分析,提出了CIZS QDs/SW胞内光敏化协同催化体系可能的电子传递机理。