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钒酸铋（BiVO4）是一种廉价、稳定、无毒的三元化合物半导体,具有约2.4eV的半导体带隙和强的可见光吸收能力。BiVO4应用于光催化处理有机污染物主要存在两大不足。一是其对太阳光的吸收边界约为520 nm,有待进一步提升对可见光的响应范围,且电子空穴易复合,导致其氧化还原性能的利用受限。二是其比表面积较小,晶体表面吸固有机物的能力有限,与污染物的充分接触及氧化还原能力有待提升。本文在分析新型可见光催化材料BiVO4所存在的缺陷基础上,认为通过碳掺杂与复合多壁碳纳米管（MWCNT）改性理论上可以克服其现如今存在的缺陷,提高其光催化性能。本文围绕这两个问题,创新性地采取理论设计与实验合成相结合的方法研制了碳掺杂BiVO4（C-BiVO4）复合MWCNT（C-BiVO4@MWCNT）体系——一种具有可见光响应范围广,电子空穴分离快,对有机污染物吸附降解能力优异的复合半导体光催化材料。主要结论如下:（1）基于第一性原理,采用密度泛函数理论相关计算方法,对碳掺杂BiVO4体系进行相关设计研究。通过理论计算发现,纯单斜BiVO4的价带（VB）的成分主要是O 2p轨道,态密度分布在-5.3-0 eV,Bi 6s轨道和O 2p轨道杂化形成了VB顶;导带（CB）的主要成分为V 3d轨道,态密度函数分布在2.4—5 eV,其次由Bi 6p轨道和O 2p轨道组成。掺杂后CB与VB的轨道组分并未发生明显变化,但VB中引入了掺杂能级,且VB顶与CB底发生了不同程度的位移。掺杂后体系的VB边升高了0.52 eV,CB边升高了0.27 eV,带隙降低了0.25 eV,因此理论上通过碳掺杂改性纯BiVO4可以提升其可见光吸收能力。通过对掺杂体系的晶格常数不同变化情况进行模拟,以求建立对掺杂成功的直观表征方法,理论研究发现模拟的三种不同的体积膨胀情况,即不考虑体积的变化（C doped BiVO4）、晶格常数在面内膨胀（C doped BiVO4@in-plane）以及晶格常数在面外膨胀（C doped BiVO4@out-of-plane）,其XRD图谱相关特征峰位移变化趋势各不相同,这种特异性现象作为判断碳掺是否成功且为何种掺杂的依据。（2）探究了有效的碳掺杂方式,结果表明,通过一步水热合成法,以聚乙烯吡咯烷酮K-30（PVP）为结构导向剂,以L-半胱氨酸为碳源,合成的掺碳m-BiVO4纳米片为三维（3D）分层结构,通过各种理化性能表征,结果表明碳掺BiVO4具有更加优异的光电性能,进一步分析发现,L-半胱氨酸作为C源掺杂BiVO4晶格的同时控制其形貌,而PVP则促进二维（2D）C-BiVO4纳米片的自组装,使其形成具有3D分级的立体花状结构。实验结果中观察到XRD图谱（121）晶面的衍射峰发生明显位移,发现实验表征结果与模拟当中的C doped BiVO4@in-plane一致,因此确认了C-BiVO4制备成功且碳掺杂导致BiVO4晶格在面内发生膨胀。（3）采用一步水热法制备了BiVO4复合MWCNT光催化剂（BiVO4@MWCNT）。用能量色散X射线分析、X射线衍射、扫描电镜、能谱仪、紫外-可见漫反射光谱、电子自旋共振（ESR）、X射线光电子能谱和光致发光光谱等手段对制备的复合材料进行了表征。扫描电镜图像显示MWCNT成功地嵌入到了BiVO4中。BiVO4@MWCNT具有较强的可见光吸收性能,电子空穴分离效率高。进一步分析了其生长机理,首先PVP被MWCNT吸附并缠绕,从而降低了整个体系的表面能,并有效防止MWCNT的团聚。然后在Bi（NO3）3被加入体系当中之后,Bi3+被选择性地吸附在PVP表面,金属离子与PVP的羰基之间存在配位相互作用;紧接着在添加NH4VO3之后,VO3-将在PVP上与Bi3+反应,生成晶种;将晶种转移到高温水热反应器中后,晶种逐渐生长和发育;最后,在高压水热反应釜中BiVO4成熟,400℃下在马弗炉中煅烧去除PVP,可以将其总结为分散-吸附-结晶-生长-成熟5大步骤。（4）在前期研究的基础上,通过两步法合成了C-BiVO4@MWCNT。通过各种表征手段研究发现,所有催化剂为单斜晶系,碳元素被成功掺杂在BiVO4中且C-BiVO4与MWCNT成功耦合,该复合材料较C-BiVO4和BiVO4催化性能更佳,对有机物的吸附性能较没有复合碳纳米管的样品具有非常明显的提升,结果表明实现了对设计的理想模型的研发,克服了BiVO4存在的不足,此种光催化体系的研发过程,对研发新型光催化材料,具有一定的理论与现实意义。讨论了碳源含量对光催化剂光催化性能的影响,结果表明,光催化剂的活性遵循0.2C-BiVO4<0.6C-BiVO4<1.0C-BiVO4<1.8C-BiVO4<1.4C-BiVO4的顺序。说明碳源的量会影响C-BiVO4的光催化性能。尽管碳掺杂可以缩短BiVO4的带隙,但是碳掺杂过量可能导致BiVO4晶格中的点缺陷,形成电子-空穴复合中心,从而降低光催化活性。研究讨论了该过程的光催化降解机理,可以分为4大部分作用。最后通过循环利用实验表明,C-BiVO4@MWCNT具有良好的稳定性和可回收性。概括起来,本论文围绕BiVO4的两大主要固有缺陷,采用理论设计与实验研发的方法相结合,成功研制了可有效克服纯BiVO4固有缺陷的碳掺杂与多壁碳纳米管复合改性钒酸铋光催化材料C-BiVO4@MWCNT,并初步研究了其材料形成及光催化机理。