本文围绕环境问题设计了一个综合化学实验。制备了C/Bi/Bi₂MoO₆复合材料，并对其施加直流电压进行电极化处理，通过扫描电镜和X射线粉末衍射等表征得出电极化法不影响材料的形貌和组成结构，并且能有效增强复合材料的光催化降解活性。本实验实现了化学、环境、能源与材料等多学科交叉融合，实验可操作性强且绿色环保。通过实验改进和仪器表征，激发学生的科研热情，培养创新思维和动手能力。

Bi₂Te₃钾离子电池负极存在结构不稳定性和电化学反应动力学缓慢问题。本研究在手风琴状MXene基底上生长棒状Bi₂Te₃，随后利用P掺杂制备了高性能P-Bi₂Te₃/MXene超结构。这种新型负极具有丰富的Te空位和良好的自适应特性，展现出优异的循环稳定性(在0.2 A·g⁻¹电流密度下200次循环后可逆容量为323.1 mAh·g⁻¹)和出色的倍率能力(20 A·g⁻¹时可逆容量为67.1 mAh·g⁻¹)。动力学分析和非原位表征表明，该超结构具有优异的赝电容特性、出色的K⁺离子扩散能力以及可逆的嵌入反应和转化反应机理。

通过水热法制备出一系列Z型异质结Cu₂O/Bi₂MoO₆新型光催化剂。采用扫描电子显微镜、粉末X射线衍射、红外光谱、紫外可见吸收光谱等表征手段研究了催化剂的形貌、结构性质和光电化学性质，并以四环素(TC)为降解目标污染物，进一步探究了其催化效率。实验结果表明，Cu₂O的加入提高了复合催化剂的光催化性能，其中20% Cu₂O/Bi₂MoO₆复合催化剂(Cu₂O和Bi₂MoO₆的质量比为20%)降解效果最好，100 min内可降解95%的TC。Cu₂O与Bi₂MoO₆之间的协同作用使其可以吸收更多的可见光，所构建的Z型异质结改变了电子转移途径，提高了电子与空穴的分离效率，光催化活性显著提高。通过自由基捕获实验和能带结构，分析了Z型异质结Cu₂O/Bi₂MoO₆复合催化剂光催化降解TC可能的机理。

煤炭、石油和天然气等能源的不断增长消耗，不仅导致不可再生能源逐渐枯竭，还使大气中的CO₂浓度显著上升，引发严重的能源危机和气候问题。因此，我们必须开发清洁、可持续的能源转换技术，以应对不断增长的能源需求和日益严重的环境危机。受到自然界光合作用的启发，光催化CO₂转化利用太阳能驱动，可以将CO₂和水转化为高附加值的化学品。经过多年的发展，人工光合作用已被认为是一种绿色、经济、可持续的方法，有望助力实现国家的碳中和发展目标。然而，现有的光催化剂存在着载流子分离效率低和活性位点不足的问题，从而导致CO₂光还原效率较低。为了应对这些科学问题，研究人员发现将金属纳米粒子负载到半导体材料上形成欧姆结，可以产生内建电场，有助于光生电子和空穴的分离。因此，本研究通过溶剂热法在BiOCl纳米片表面负载Bi纳米粒子，构建了Bi/BiOCl欧姆结光催化剂。通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)分析了光催化剂的成分和微观结构。利用紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)研究了催化剂的光吸收性能。通过瞬态光电流响应测试、电化学阻抗谱(EIS)和电子自旋共振谱(ESR)研究了光生电子和空穴的分离能力。由于Bi纳米粒子与BiOCl的功函数不同，二者形成的欧姆结具有优异的电荷转移特性，可以显著提高光生载流子的利用效率。此外，Bi纳米粒子还可以作为助催化剂，促进惰性CO₂分子的活化。光催化测试结果显示，经过300 W氙灯照射4 h后，具有最佳活性的复合材料(Bi/BiOCl-2)将CO₂还原为CO (34.31 µmol·g^-1)和CH₄ (1.57 µmol·g^-1)的速率分别是BiOCl纳米片的2.55倍和4.76倍。同位素示踪实验证实，产物是CO₂和水分子经过光催化反应得到的。此外，根据原位傅里叶变换红外光谱(in situ FTIR)结果，发现在CO₂还原过程中形成了*CHO、*CH₃O、b-CO₃^2-、m-CO₃^2-、HCO₃^-、HCOOH、*COOH和HCOO^-等中间体，并进一步提出了可能的光催化CO₂还原机制。经过25 h的CO₂光还原反应后，CO和CH₄产量持续增加，同时结合XRD、XPS和TEM结果表明，制备的Bi/BiOCl-2材料具有良好的结构稳定性。这项研究为高效CO₂光还原催化剂的构建提供了有益的参考。

采用原位溶剂热反应制备多级Ag/Bi/Nv-g-C₃N₄(氮空位-g-C₃N₄)/Ti₃C₂T_x肖特基结，并对其物相组成和晶体结构、微观形貌和孔结构、表面元素组成和化学态、光学和光电化学性质进行了表征。由于Ag、Bi和Ti₃C₂T_x协同的表面等离激元共振效应，Ag/Bi/Nv-g-C₃N₄/Ti₃C₂T_x表现出全光谱吸收特性。由载流子浓度差驱动的界面极化电荷转移诱导形成的肖特基结，显著提高了光生载流子(包括热电子和热空穴)的分离效率和利用率。因此，与Nv-g-C₃N₄、Ti₃C₂T_x、Ag/Nv-g-C₃N₄、Bi/Nv-g-C₃N₄和Ag/Bi/Nv-g-C₃N₄相比，Ag/Bi/Nv-g-C₃N₄/Ti₃C₂T_x表现出显著增强的全光谱催化活性，其在可见光和近红外光照射下光催化降解四环素的反应速率常数分别为0.033和0.008 6 min^-1，为对比样品的10~2.1倍和8.6~1.8倍。

A 1D coordination polymer (CP), (TBA) [Bi(bp4do)Br₄] (1), was synthesized by the assembly of 4, 4' - bipyridine -N, N'-dioxide (bp4do) and Bi³⁺ (TBA⁺=tetrabutylammonium). 1 exhibits a red luminescence with a quantum yield of up to 69%. A solid-state thin-film sensor (1/PVP) with extremely high luminescence stability was prepared by combining 1 with polyvinyl pyrrolidone (PVP). 1/PVP has a wide - range sensing capability for 11 NH₃/amine vapors with rapid response. During the sensing process, its luminescence color changed from red to blue, which was easy for naked -eye observation. The sensing mechanism is NH₃/amine-induced collapse of the framework of 1. Furthermore, 1/PVP has been successfully applied to monitoring food freshness such as meat/aquatic products.

The Z-scheme heterojunction Cu₂O/Bi₂CrO₆ photocatalyst was successfully prepared by introducing Cu₂O on the Bi₂CrO₆ surface using a coprecipitation method. The photocatalytic degradation of tetracycline (TC) on Cu₂O/Bi₂CrO₆ under visible light irradiation was investigated. It was found that the Cu₂O/Bi₂CrO₆ photocatalyst had the best photocatalytic activity when the mass ratio of Cu₂O to Bi₂CrO₆ was 20%, and the TC could be degraded by 87.5% within 100 min, which was about 1.8 times and 1.3 times higher than that of pure Bi₂CrO₆ and pure Cu₂O, respectively. Besides, the Cu₂O/Bi₂CrO₆ photocatalyst also showed good stability and reusability. The Z scheme heterojunction structure of Cu₂O/Bi₂CrO₆ provided increased active sites, enhanced interfacial charge separation, and improved separation efficiency of photogenerated electro-hole (e^--h⁺) pairs, leading to enhanced photocatalytic properties. Electron paramagnetic resonance (EPR) measurement confirmed that the superoxide radical (·O₂^-), hydroxyl radical (·OH), and h⁺ were the primary active species during photocatalysis.

采用一步水热法合成了g-C₃N₄/Bi₂WO₆(MCN/BWO)异质结光催化剂，用于降解左氧氟沙星(LEV)。在模拟太阳光照射下，摩尔比为1 : 1的MCN/BWO对LEV的降解率达到98.14%，这归因于MCN和BWO之间形成了S型异质结。原位XPS分析和表面功函数测量证实了电子转移路径遵循S型异质结机制。MCN/BWO体系中S型异质结产生的内建电场(IEF)促进了光生电子(e⁻)从BWO的导带(CB)直接转移到MCN的价带(VB)。这一过程实现了光生电子-空穴对(e⁻-h⁺)的有效分离，h⁺在BWO的VB上积累，e⁻在MCN的CB上积累。自由基捕获实验表明，超氧自由基(·O₂⁻)和h⁺是主要的活性物种。除了表现出优异的光催化性能外，该催化剂在连续三个循环中保持了良好的稳定性。为了阐明降解机制，采用液相色谱-质谱(LC-MS)和定量构效关系(QSAR)分析来鉴定降解途径、中间产物和潜在毒性。本研究为废水处理应用提供了理论基础。

通过光催化水裂解制氢来生产可再生燃料具有巨大的潜力。然而，缓慢的析氢动力学和较差的水吸附对光催化剂构成了重大挑战。在这项研究中，我们开发了一种简单的水热法，用于从金属有机框架(MOF)中合成Bi₂O₃ (BO)，并将其负载到花状ZnIn₂S₄ (ZIS)上。该方法显著增强了水吸附和表面催化反应，从而显著提高了光催化活性。以三乙醇胺(TEOA)作为牺牲剂，在BO上负载15% (质量分数) ZIS时，析氢速率达到了1610 μmol∙h⁻¹∙g⁻¹，是纯BO的6.34倍。此外，利用密度泛函理论(DFT)和从头算分子动力学(AIMD)计算，我们确定了ZIS/BO S型异质结界面上的反应，包括水吸附和催化反应的活性位点。这项工作将为开发具有特定电子性能和润湿性的高性能复合光催化材料提供有价值的见解。

人工半导体光催化CO₂转化被广泛认为是模拟自然碳循环的最有前途的策略之一。其中，Bi₂MoO₆具有光催化CO₂转化的潜力。然而，由于其光生电荷载体的快速复合，其催化性能仍然不足。因此，改善Bi₂MoO₆的催化效率是一个紧迫的问题。在这项研究中，我们通过水热法合成了Bi₂MoO₆纳米片，并在其表面同时生长了CeO₂纳米颗粒，形成了Ce³⁺/Ce⁴⁺离子桥接修饰的S型异质结。时间分辨光致发光光谱和光电化学测试揭示了这种异质结的增强电荷分离效应。此外，原位X射线光电子能谱分析和理论计算进一步证实，光生电子转移路径遵循S型机制，从氧化型半导体Bi₂MoO₆的导带转移到还原型半导体CeO₂的价带。实验结果表明，CeO₂/Bi₂MoO₆、Bi₂MoO₆和CeO₂的光催化CO₂还原为CO的效率分别为65.3、14.8和1.2 μmol∙g⁻¹∙h⁻¹。与纯Bi₂MoO₆相比，CeO₂/Bi₂MoO₆复合催化剂将CO₂光催化还原为CO的催化效率提高了3.12倍。这项工作为设计和构建新型S型异质结光催化剂提供了独特的见解。