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利用半导体光催化技术将CO2还原为高附加值化学品被认为是解决由化石燃料的燃烧带来的能源危机和温室效应这两大问题的一举两得的方法。在众多光催化剂中,n型半导体Ti O2因低成本、高稳定性、环境友好等优点被认为是极具潜力的还原CO2的光催化剂材料。在众多形貌的Ti O2光催化剂中,Ti O2纳米管和Ti O2纳米带因具有高度有序的结构、快速的电子传输性能和高比表面积而备受关注。但Ti O2也存在着光生电荷复合几率较高的缺陷。Ti O2较宽的带隙还使得它对太阳光的利用率较低。这些缺陷严重影响着Ti O2的光催化性能。因此,本论文开展了以下研究工作,通过构建分子桥连的Z型异质结复合体,对光生空穴和电子进行同步调控,构建p-n异质结复合体以及引入贵金属的方法来增强Ti O2的光吸收性能及光生电荷的分离;通过构建光阴极微生物电化学系统,将光能和废水中的化学能结合来提高Ti O2光生电荷的分离及光催化还原CO2性能,并对光生电荷传递和转移过程机制进行解析。针对TiO2光生电荷分离差及太阳光利用率低的问题,首先构建了P-O分子桥连的Z型g-C3N4/TiO2纳米管异质结复合体。结果表明,g-C3N4的复合和P-O分子桥的引入显著改善了Ti O2纳米管光催化还原CO2性能。还原产物乙酸、甲酸和甲醇的最高生成效率分别为6.7±0.11 mg L-1 h-1 cm-2,4.1±0.09 mg L-1 h-1cm-2和5.5±0.10 mg L-1 h-1 cm-2,是TNTs的3.3,2.9和3.5倍。光催化性能提高主要归因于g-C3N4的复合增强了复合体对可见光的吸收,同时Z型异质结的构建不仅提高了光生电子和空穴的分离,还保留了复合体中具有较强还原能力的光生电子。P-O桥的引入加速了Ti O2和g-C3N4界面间的电子转移,进一步提高了光生电子和空穴的分离。以Na HCO3为造孔剂,制备了Al-O分子桥连的Z型多孔g-C3N4/Ti O2纳米管异质结复合体。结果表明,Al-O分子桥连的多孔g-C3N4/Ti O2纳米管复合体的CO2还原产物乙酸、甲酸和甲醇的最高生成效率要高于P-O分子桥连的g-C3N4/Ti O2纳米管复合体。性能提高的主要原因是g-C3N4多孔结构的存在使得复合体对可见光的吸收进一步增强,同时Al-O分子桥加快界面间电子转移作用要强于P-O分子桥。在光催化还原CO2过程中,由于水氧化反应需要四个空穴参与,因此除了调控光生电子,对光生空穴的调控同样具有重要意义。因此提出了对光生电子和空穴进行同步调控的策略。首先利用Mn Ox和r-GO对Ti O2纳米管进行共修饰来改善其光催化性能。结果表明,Mn Ox和r-GO的共修饰能够有效提高Ti O2纳米管光生电荷的分离,主要归因于Mn Ox和r-GO对光生空穴和电子的同步调控作用,即Mn Ox对光生空穴的捕获和r-GO对光生电子的传递和转移。改性后的Ti O2纳米管对乙酸和甲酸的合成具有选择性,乙酸和甲酸的最高生成效率分别为5.2±0.13 mg L-1 h-1 cm-2和3.1±0.11 mg L-1 h-1 cm-2,是TNTs的2.5和2.2倍。制备了Mn Ox和Pd共修饰的Ti O2纳米管,通过Mn Ox和Pd对光生空穴和电子的同步调控作用来提高Ti O2纳米管光生电荷的分离。改性后的Ti O2纳米管对乙酸和甲酸的合成同样具有选择性,乙酸和甲酸的最高生成效率要高于Mn Ox和r-GO共修饰的Ti O2纳米管,主要原因是Pd纳米粒子作为助催化剂,不仅能传递和转移光生电子,还能提供表面活性位点,促进CO2分子的活化。利用水热法制备了TiO2纳米带,并构建了Co3O4/Ti O2纳米带p-n异质结复合体光催化剂。Co3O4的复合有效的提高了Ti O2纳米带对可见光的吸收,同时p-n结的构建引入的自建电场提高了Ti O2纳米带光生电子和空穴的空间分离,从而提高了Ti O2纳米带光催化还原CO2性能。在Co3O4/Ti O2纳米带p-n异质结复合体上继续引入金属Pd纳米粒子来传递和转移光生电子,进一步提高了异质结复合体光生电荷的分离。优化后的7Pd/0.27Co3O4/TNBs样品的乙酸、甲酸和甲醇的生成效率最高,分别为7.2±0.13 mg L-1 h-1 cm-2、5.2±0.08 mg L-1 h-1cm-2和6.0±0.07 mg L-1 h-1 cm-2,是Ti O2纳米带的5.5、8.7和6.7倍。除了对催化剂自身进行改性,构建光阴极微生物电化学系统,将废水中的化学能与光能结合,也是提高光催化剂性能的有效手段。因此,将合成的改性Ti O2纳米带和纳米管制备成光电极并作为光阴极,与微生物阳极耦合构建了光阴极微生物电化学系统。结果表明由0.27Co3O4/TNBs、7Pd/0.27Co3O4/TNBs催化剂制备的光阴极电位与微生物阳极电位能够很好的匹配,可实现系统的构建。其中,7Pd/0.27Co3O4/TNBs光阴极微生物电化学系统在光照下的乙酸、甲酸和甲醇生成效率与不同改性方法下制备的样品相比最高,分别为9.5±0.28 mg L-1h-1 cm-2,7.5±0.22 mg L-1 h-1 cm-2和8.1±0.18 mg L-1 h-1 cm-2,是单独7Pd/0.27Co3O4/TNBs光阴极在光照下乙酸、甲酸和甲醇生成效率的1.3、1.4和1.4倍。相较于单独的光阴极,系统在光照下CO2还原性能的提高归因于阳极微生物氧化废水中的有机物产生的电子通过外电路流到光阴极,提高了光阴极光生电子和空穴的分离。本研究的开展,为设计合成具有高光生电荷分离的处理环境污染和能源危机问题的光催化剂材料提供新方法。