土壤产生的气态氮氧化物(NO_x)不仅会影响空气质量和大气臭氧浓度,还会导致酸雨和全球变暖等一系列环境问题,很少有证据表明土壤中无机矿物的光催化活性会影响土壤中氮氧化物的转化。在裸露地表分布的土壤和岩石一般被认为对光不具有活性,而是通过为微生物提供进行新陈代谢的场所进而促进其中的物质转变,但是太阳光驱动着地球上和生物有关的光化学合成反应并且影响着地壳表面的地球化学过程。目前对自然条件下的无机光化学反应很少有报道,本文主要以地表常见的土壤和岩石作为研究对象,研究了它们的光催化特性以及对环境中常见气态污染物的光催化转换行为。本文研究了土壤类型、红壤粒径、红壤有机质含量和尿素施用量对NO的降解效率和NO₂产量的影响,证明了含有大量铁、铝和硅氧化物的土壤颗粒能够在模拟自然光下直接将NO光催化转化为NO₂和硝酸根离子,并且不同类型的土壤对NO的光降解活性差异较大(红壤24%,水稻土12%,栗钙土9%),这取决于样品的矿物成分和相关金属元素的含量。红壤对空气中1ppm NO有明显的光催化氧化作用(去除效率达到24%),其离子物种的选择性接近100%。土壤能在可见光下氧化外来的NO,还可以将固有的含氮化合物氧化成NO₂从而在大气中排放,此外,红壤在光照条件下对NO的光催化氧化能力取决于颗粒大小的差异,这可能与不同粒径红壤样品的化学成分,表面积以及矿物结晶程度的变化有关,其中粒径较小的样品能提供更大的比表面积,增加光催化反应的活性样点,从而提升样品的光催化性能,但随着粒径改变,样品的成分也会改变,从而进一步影响反应效率。土壤中的有机质是土壤养分的重要组成,有机质对于光催化过程有重要影响,其能够减小NO气体和土壤的直接接触面积从而降低光催化反应速率,此外,有机物也是光生电子/空穴的受体,能够影响光电子的分离和再结合过程,一些有机化合物中的生色团可以吸收光,从而促进土壤有机氮化合物分解为NO₂气体,同时,土壤有机质上吸附的-OH基团对于初始状态下NO₂的生成可能很重要,因为它可以促进价带电子空穴中·OH的生成。农业生产中常用的氮肥尿素中存在N^3-,其可以作为电子供体从而抑制NO的氧化。另一方面,尽管以半导体为基础的光催化脱氮技术被认为是绿色环保的,但其大规模应用仍然有限,因为必须降低光催化设施的成本以促进实际应用。本文研究了天然岩石(霞石正长岩、石灰岩和火山岩)粉末作为光催化建筑材料的潜力,并探索了它们对NO和VOC的光催化氧化影响。发现具有一定比例的铁、铝和硅氧化物的岩粉颗粒可以通过光催化作用降解NO气体,将其大部分转化为硝酸根离子而不是对环境危害更大的NO₂。不同样品的降解性能因岩石类型而异,这与样品的矿物成分,比表面积,孔隙结构和形貌特性有关。在气体转化过程中,热载流子的光吸收和激发与岩石中的Fe,Mg氧化物有关。霞石正长岩粉末的光学带隙与α-Fe₂O₃相似,但其能级表现出与Mg Fe₂O₄相似的导带,这解释了为什么霞石正长岩比纯α-Fe₂O₃具有更高的光催化效率,霞石正长岩对空气中1 ppm的NO和甲醛气体的光催化氧化去除效率分别达到28%和20%,高于之前报道的纳米结构的纯赤铁矿光催化剂,这与霞石正长岩石粉末中的氧化铁与石英和其它金属元素发生掺杂形成的异质结有关。此外,霞石正长岩石粉末具有较高离子物种选择性,达到了89.3%,并表现出良好的可见光活性和可重复使用性。综上所述,本研究可能会激发新的土壤和肥料管理实践方式,旨在减少土壤氮的损失,同时为土壤氮循环提供新的见解,并为减少农业氮氧化物污染提供替代途径,尤其是对于光催化活性矿物含量高的土壤。也为光催化特性岩石在空气修复中的潜在应用提供了新颖而有趣的见解。考虑到现有空气污染治理技术的高额成本和环境限制,未来对于清洁建筑材料的选择思路可以向自然界中的天然材料转变,并在此的基础上进一步开发出相应的绿色节能清洁产品。