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氮氧化物(NOx)是典型的空气污染物，不仅会诱发光化学烟雾且是臭氧与二次PM2.5生成的共同前体物，会导致雾霾的形成。近年来，半导体光催化技术在环境治理中表现出优异的性能，成为了极具发展潜力的NOx治理技术之一。开发和设计新型的光催化剂是实现光催化技术走向应用的关键。铋系光催化材料因其具有交替的层状超薄结构，展现了独特的光电特性，在光催化氧化反应中受到学者的广泛关注和研究。但是，碳酸氧铋(Bi2O2CO3)和钛酸铋(Bi4Ti3O12)等铋系光催化材料具有较宽的带隙从而限制了其光利用率以及光生载流子的分离效率。因此，发展有效的改性策略去调控宽带隙铋系光催化材料的电子结构和增强光吸收能力是提高光催化性能的研究方向之一。本研究采用了构造点缺陷（原子置换、空位）的手段，实现了缺陷能级的合理调变，并促进光生电子-空穴的有效分离、拓展光响应范围、增强可见光吸收，从而实现可见光催化性能的提升。此外，针对点缺陷结构在反应过程中不稳定以及点缺陷在光催化氧化过程中的反应机理不明确的问题从以下几个方面进行了深入的讨论。
（1）B掺杂的Bi2O2CO3分级微球：增强的光催化性能和去除NO的反应机理。利用水热法将用B原子置换碳酸氧铋中的C原子以此构建点缺陷。通过实验和密度泛函理论计算结果证实，中间能级的成功构建起到了电子快速传递通道的作用。点缺陷（置换原子）的形成促进了光生电子-空穴的分离，使其光吸收带边发生有效红移从而拓展了光响应范围。此外，点缺陷还增强了对氧气、水分子、一氧化氮小分子的吸附活化，进而促进了对应的超氧自由基、羟基自由基以及NO2+中间产物的产生，从而实现Bi2O2CO3去除NO的可见光性能的增强。此外，通过原位红外技术发现了新的中间产物（NO2+）的形成，通过分析反应过程中催化剂表面物种的变化提出了更加明确的反应路径NO→NO2→NO2+→NO3?。由于B原子掺杂的Bi2O2CO3表面具有更多的NO2+，从而促进了反应的进行。综合分析实验和计算的结果证实了经缺陷改性后的Bi2O2CO3光催化剂能将NO高效的向无毒无害的终产物转化。
（2）含氧缺陷Bi4Ti3O12微球：增强光催化性能和去除NO的反应机理。利用水热法制备出Bi4Ti3O12前驱体，后与硼氢化钠除氧剂混合搅拌后，生成含有氧缺陷的Bi4Ti3O12微球光催化剂。通过改变硼氢化钠的浓度，可控制氧缺陷的相对生成量。催化性能评价结果发现，适量的氧缺陷有益于光催化净化效率的提升，但过多的氧缺陷会适得其反。其原因是适量氧缺陷的存在可作为表面反应活性位点，它的引入会改善材料的物理化学特性（电子结构、几何结构、材料吸光性），但过量的氧缺陷会致使光生电子-空穴在空位处复合。研究结果表明，在Bi4Ti3O12表面构造适量的氧缺陷可以促使光生电子-空穴的分离，显著增强了可见光的吸收，并且在空位处对小分子的吸附活化十分显著进而产生更多的自由基参与后续的光催化氧化反应。基于以上性质，含氧缺陷的Bi4Ti3O12光催化剂去除NO的性能得到显著提高，可达66.1%。此外，利用原位红外技术阐释了光催化氧化NO的反应路径。改性后的Bi4Ti3O12可以抑制有毒产物（N2O3）的生成，而是产生NO?中间产物。通过理论计算可知，该NO?产物更倾向转化为cis-N2O22?，进而向终产物转化。本研究提出了构建点缺陷去调控铋系光催材料的电子结构从而增强光催化反应活性的方法可拓展到其他铋系光催化剂中，为光催化领域横向发展提供了新的借鉴。两个体系中所解析的光催化氧化反应路径，也可为今后的光催化机理研究作一些理论支撑。
（1）B掺杂的Bi2O2CO3分级微球：增强的光催化性能和去除NO的反应机理。利用水热法将用B原子置换碳酸氧铋中的C原子以此构建点缺陷。通过实验和密度泛函理论计算结果证实，中间能级的成功构建起到了电子快速传递通道的作用。点缺陷（置换原子）的形成促进了光生电子-空穴的分离，使其光吸收带边发生有效红移从而拓展了光响应范围。此外，点缺陷还增强了对氧气、水分子、一氧化氮小分子的吸附活化，进而促进了对应的超氧自由基、羟基自由基以及NO2+中间产物的产生，从而实现Bi2O2CO3去除NO的可见光性能的增强。此外，通过原位红外技术发现了新的中间产物（NO2+）的形成，通过分析反应过程中催化剂表面物种的变化提出了更加明确的反应路径NO→NO2→NO2+→NO3?。由于B原子掺杂的Bi2O2CO3表面具有更多的NO2+，从而促进了反应的进行。综合分析实验和计算的结果证实了经缺陷改性后的Bi2O2CO3光催化剂能将NO高效的向无毒无害的终产物转化。
（2）含氧缺陷Bi4Ti3O12微球：增强光催化性能和去除NO的反应机理。利用水热法制备出Bi4Ti3O12前驱体，后与硼氢化钠除氧剂混合搅拌后，生成含有氧缺陷的Bi4Ti3O12微球光催化剂。通过改变硼氢化钠的浓度，可控制氧缺陷的相对生成量。催化性能评价结果发现，适量的氧缺陷有益于光催化净化效率的提升，但过多的氧缺陷会适得其反。其原因是适量氧缺陷的存在可作为表面反应活性位点，它的引入会改善材料的物理化学特性（电子结构、几何结构、材料吸光性），但过量的氧缺陷会致使光生电子-空穴在空位处复合。研究结果表明，在Bi4Ti3O12表面构造适量的氧缺陷可以促使光生电子-空穴的分离，显著增强了可见光的吸收，并且在空位处对小分子的吸附活化十分显著进而产生更多的自由基参与后续的光催化氧化反应。基于以上性质，含氧缺陷的Bi4Ti3O12光催化剂去除NO的性能得到显著提高，可达66.1%。此外，利用原位红外技术阐释了光催化氧化NO的反应路径。改性后的Bi4Ti3O12可以抑制有毒产物（N2O3）的生成，而是产生NO?中间产物。通过理论计算可知，该NO?产物更倾向转化为cis-N2O22?，进而向终产物转化。本研究提出了构建点缺陷去调控铋系光催材料的电子结构从而增强光催化反应活性的方法可拓展到其他铋系光催化剂中，为光催化领域横向发展提供了新的借鉴。两个体系中所解析的光催化氧化反应路径，也可为今后的光催化机理研究作一些理论支撑。