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能源危机、温室效应以及环境污染是威胁人类可持续发展的几大难题。半导体光催化技术可实现分解水制取氢气、还原CO2获取有机物以及降解多种有机污染物，是解决能源危机、温室效应以及环境污染的有效手段之一。目前，以TiO2为代表的紫外光响应型光催化材料只能利用太阳光谱中能量份额不足5％的紫外光，而可见光能量占太阳光谱能量份额的43％，为了更加有效地利用太阳能，开发可见光响应型光催化材料成为光催化领域的一个重要研究方向。
本文综述了获得可见光响应型光催化材料的两种途径：一、掺杂改性紫外光响应型光催化材料；二、设计开发新材料。据此，分别合成了过渡金属离子掺杂型NaTaO3以及ZnO：GaN固溶体，并研究了所合成材料在光催化分解水制取氢气、光催化还原CO2以及光催化氧化降解气相有机物等方面性能。具体研究内容如下：
1.掺杂NaTaO3的制备及光催化性能研究
采用固相反应法制备了镧、铬掺杂钽酸钠：Na1-xLaxTa1-xCrxO3与铬掺杂钽酸钠：NaTa1-xCrxO3(x=0.01，0.03，0.05及0.10)。当采用甲醇作为牺牲剂时，材料可实现可见光条件下(λ>420 nm)分解水制取氢气。研究表明，当x分别取上述值时，Na1-xLaxTa1-xCrxO3的光催化分解水析氢活性均明显高于NaTa1-xCrxO3；Na0.9La0.1Ta0.9Cr0.1O3光催化活性为2.2μmol·h-1，接近NaTa0.9Cr0.1O3活性(0.6μmol·h-1)的4倍。Na1-xLaxTa1-xCrxO3相对于NaTa1-xCrxO3活性改善的原因可归结为如下两点：第一，镧元素掺杂导致Na1-xLaxTa1-xCrxO3材料颗粒变小、比表面积增大；第二，镧无素与铬元素双掺杂导致Na1-xLaxTa1-xCrxO3材料含有更少的六价铬离子。
2.ZnO：GaN固溶体的制备及光催化性能研究
在未采用无机或有机模板的条件下，采用新途径制备了纳米有孔结构的ZnO：GaN固溶体。首先，以Na2CO3和Ga2O3为原料，采用固相反应法制备了NaGaO2粉末；之后，以Zn(NO3)2和NaGaO2为反应物，在水溶液中采用离子交换法制备了介孔ZnGa2O4前驱体；由于介孔ZnGa2O4前驱体颗粒较小，可在650℃的相对低温条件下经氮化处理制备获得纳米有孔结构ZnO：GaN固溶体，材料比表面积达到35.7m2·g-1。实验发现，采用该方法制备的ZnO：GaN固溶体在光催化还原转化CO2以及光催化氧化降解气相异丙醇(IPA)等方面性能均明显高于采用其他方法制备的ZnO：GaN固溶体。研究表明，光催化性能提高的原因为：纳米有孔结构ZnO：GaN固溶体具有更高比表面积以及特殊的孔道结构、更少表面缺陷以及更强光吸收特性。
综上所述，我们合成了过渡金属离子掺杂NaTaO3以及ZnO：GaN固溶体，并研究了掺杂方式、制备方法对材料光催化性能的影响，本研究为探索提高光催化材料的性能提供了理论以及实验依据。