近年来,药品和个人护理品(PPCPs)不断通过各种人为来源排放到环境水体中。更严重的是,由于PPCPs的生物降解性低,传统的污水处理厂无法完全去除这些化合物。PPCPs在自然水生环境中的积累会对人类健康和生态系统造成一系列潜在的不利影响。因此,开发用于去除水体中PPCPs的高效且环境兼容的策略已成为一项全球性挑战。光催化技术可以直接利用自然界中的太阳能转换为化学能,是缓解能源危机和解决环境污染问题的理想技术之一。氮化碳(g-C₃N₄)是一种非金属聚合物半导体材料,因制备方法简单、能带合适、稳定性高和能在可见光响应等优点被广泛用于环境修复。然而g-C₃N₄依然存在着比表面积小、可见光利用率低、载流子复合率高,以及强氧化活性自由基产率低等缺点,导致其光催化活性仍然不够理想。鉴于此,本研究拟通过形貌调控、缺陷工程、非金属材料复合等方法,解决g-C₃N₄光催化降解PPCPs的活性限制因素,构建高效的环境友好的光催化体系用于环境修复,助力解决环境污染和能源危机等问题。此外,系统地研究光催化剂的形貌结构、表面成分、光电性质与光催化降解PPCPs性能之间的联系,并揭示相关的光催化反应机制。本文主要的研究内容如下:(1)运用一步热聚合法成功制备出二维超薄g-C₃N₄(UCN)纳米片,并将其应用于光催化降解双氯芬酸钠(DCF)。UCN具有较高的比表面积、较强的载流子迁移能力,因而表现出优于块状g-C₃N₄的光催化活性。UCN耦合过硫酸盐(PDS),可以产生更多的强氧化活性自由基,这被电子自旋共振(ESR)测试所证实。经过150 min的反应,DCF的矿化率达到78%。联合淬灭实验证明超氧自由基(O₂^·-)对降解过程起主导作用。进一步发现DCF在UCN/PDS体系的光催化降解符合一级动力学规律和Langmuir-Hinshelwood模型,且在循环实验中仍保持着良好的光催化活性。有趣的是,UCN/PDS体系在偏酸/偏碱p H以及实际河水中展示出更高的光催化活性,尤其DCF在河水中的降解速率是在超纯水的3.4倍。(2)羟基自由基(·OH)具有非选择性强氧化能力特性,可有效降解PPCPs。然而由于g-C₃N₄固有价带的限制,它无法直接生成·OH。为了从本质上提高g-C₃N₄体系的氧化能力,本文报告了一种简便的、环保的自改性策略来合成具有氮空位和氰基(C≡N)官能团的还原性石墨氮化碳(RCN)。实验结果和仪器分析表明氮空位和C≡N基团在修饰RCN能带结构以提高其可见光吸收和氧化能力方面具有关键作用,价带位置的下移使得RCN具有通过空穴(h⁺)直接生成·OH的热力学驱动力。凭借这些特性,RCN在可见光照射下表现出更高的O₂^·-和·OH产率,对DCF的光催化降解显著增强,其动力学速率是原始g-C₃N₄的7.4倍。本研究中阐述的自修饰策略对于构建具有合适能带结构的g-C₃N₄具有指导意义。(3)为了协同强化g-C₃N₄的载流子产生-分离效率和氧化能力,以提高其在环境修复领域的催化性能。在此,我们制备了一种新型氮化硼量子点修饰的还原性超薄g-C₃N₄(BNRU)光催化剂,拟通过缺陷工程和氮化硼量子点(BNQDs)负载达到上述目的。通过引入缺陷(氮缺位和C≡N)优化后的能带结构能够吸收更多的光子并提供更强的氧化驱动力(+2.15 e V),同时氮缺位和BNQDs分别构建了电子和空穴的单独转移通道以促进载流子分离。与UCN相比,最优的2BNRU在可见光下可以获得高1.7倍的载流子密度,而且光电流密度从1.33上升至9.31μA/cm~2。ESR测试和分子探针光谱测试结果表明这些强化特性赋予2BNRU优越的活性自由基生成能力。当用于降解诺氟沙星时,2BNRU能够以0.3744 min^-1的动力学速率降解药物分子并且在30 min可见光照射下矿化率可以达到46.9%。本研究不仅展示了一种用于修复环境污染的具有高氧化性能的g-C₃N₄光催化系统,而且为设计具有载流子双转移机制的非金属光催化剂开辟了道路。(4)为了进一步提高g-C₃N₄对太阳光的利用效率和自由基生成能力,在此,我们合成了一种具有强氧化还原能力和广谱光响应能力的新型碳量子点修饰的还原性超薄g-C₃N₄(RUCN/CQD)光催化剂,对多种典型PPCPs均表现出优越的光催化降解性能。特别地,在实际太阳光照射下,RUCN/CQD在六分钟内对5 mg/L的DCF表现出100%的去除率。这种卓越的性能归因于定制的能带结构具有产生·OH的热力学驱动力,CQD具有促进O₂^·-形成的有效电子转移能力,以及具有丰富反应位点的超薄多孔结构。同时,CQD的上转换荧光特性赋予光催化剂利用广谱光的能力,有效提高了太阳光利用率。RUCN/CQD系统在模拟自然环境条件下也表现出优异的光催化活性,这意味着该体系具有修复水环境中PPCPs的巨大潜力。