雪中送來神奇的光催化

演講者：蔡冠宇

推薦單位：北京腐蝕與防護學(xué)會

我們心中總是涌動著驕傲和自豪，當(dāng)說起我們國家擁有九百六十萬平方公里的廣袤國土之時！在我們的認知中，這片土地幅員遼闊，物產(chǎn)豐富，資源繁多，她滋養(yǎng)了一代又一代中國人。雙腳踏在由衷熱愛的祖國大地上，我們安心學(xué)習(xí)，我們幸福生活，我們感受著國家發(fā)展帶來的物質(zhì)與精神文明，我們贊同“少年強則國強”的觀念，我們也盼望著“中華繁榮富強，國泰才能民安”！

事實往往稍遜于理想，當(dāng)年忠貞為國酬，何曾怕斷頭？如今天下紅遍，江山靠誰守？在物質(zhì)文明高速發(fā)展的今天，幾乎全人類都面臨著資源危機、能源危機，這已經(jīng)成為需要全世界共同面對的一個難題。必須承認，資源危機、能源危機的時代已經(jīng)悄無聲息地到來，并在慢慢地滲透、影響了我們的生活。作為科研工作者，我們必須要把它作為重點問題來對待、考慮，并解決。仔細想來，造成我國面臨資源和環(huán)境的兩座大山的壓力，原因主要在三方面：第一，由于世界能源主要依賴不可再生的化石資源，當(dāng)這有限的資源被挖掘殆盡之時，人類將陷入可怕的境地;第二，人口突破70億，生產(chǎn)生活造成的垃圾多是有機物垃圾，自然降解慢，加之發(fā)達國家把國內(nèi)垃圾運往第三世界國家，而有機物垃圾自然降解極其解慢，這使得垃圾堆砌難以處理，環(huán)境問題日趨嚴重;第三，我國能源結(jié)構(gòu)落后，導(dǎo)致經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護二者之間出現(xiàn)了矛盾。若說當(dāng)前，上述我們所面臨的資源和能源危機是人類發(fā)展史上的一場暴風(fēng)雪，那么正是科學(xué)家們用智慧的頭腦和辛勤的雙手為我們“在雪中送來了神奇的光催化技術(shù)”。

我們深入了解光催化的反應(yīng)原理，從現(xiàn)代科學(xué)角度認識光催化的“神奇特效”——物質(zhì)由原子組成，原子表面帶有電子。當(dāng)具有能量的光照射到物質(zhì)表面，物質(zhì)本身能量會升高，當(dāng)能量提高到足以使電子受激發(fā)而躍遷時，該物質(zhì)表面會產(chǎn)生具有還原性的光電子（光電子：受光子激發(fā)而躍遷的電子，一般從價帶躍遷到導(dǎo)帶）。而在電子的原位置會產(chǎn)生光生空穴，空穴具有氧化性。至此，氧化/還原化學(xué)反應(yīng)即可發(fā)生，當(dāng)光不斷照射，在物質(zhì)表面的氧化/還原反應(yīng)就會持續(xù)不斷發(fā)生，從而起到光催化的效果。具有以上光催化效果的物質(zhì)被稱為光催化劑或光催化材料。

我們可以簡單回顧一下光催化的發(fā)展歷程：記得是在1972年，科學(xué)家Honda在n-型半導(dǎo)體TiO2電極上發(fā)現(xiàn)了水的光催化分解作用，從此揭開了光催化技術(shù)研究的序幕。稍后，在1976年Garey，1977年Frank用TiO2光催化劑氧化降解有機物，從此，光催化在環(huán)保方面的應(yīng)用研究開始啟動。而近十幾年來，半導(dǎo)體光催化技術(shù)在環(huán)保、衛(wèi)生保健等方面的應(yīng)用研究發(fā)展迅速，納米光催化已經(jīng)成為國際上最活躍的研究領(lǐng)域之一。那么光催化究竟有什么特異之處可以成為國際研究領(lǐng)域的寵兒呢？

“光催化技術(shù)”尋找新的清潔能源，為社會的科學(xué)發(fā)展指明了方向。我們都知道，氫能作為理想的、清潔的、可再生的二次能源，其形成依賴于廉價的氫源;而太陽能資源豐富、普遍、經(jīng)濟、潔凈，利用太陽能光分解水技術(shù)可望獲得廉價的氫氣，并且還可就地生產(chǎn)，神奇的光催化為人類尋找新型能源打開了大門。

我們可不可以利用自然界取之不盡的太陽光分解垃圾，實現(xiàn)資源和能源的轉(zhuǎn)化呢？誠然，這是一個近乎“神奇”的想法，但光催化本身就是一項神奇的技術(shù)，我們可以對之寄予希望?！肮獯呋夹g(shù)”對有機物的降解，既能充分利用太陽能，又能幫助人們解決有機污染物的處理這一難題。為了提高光催化劑的催化效率，拓展其應(yīng)用前景，人們不僅打破了催化光源只能是紫外光的束縛，而且還將光催化劑與纖維素紙相連接，開辟了光催化的新天地。光催化劑不僅具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，而且還具有成本低廉、環(huán)境友好等優(yōu)勢。此外，更令我們驚喜的是，光催化劑具有普適性，也就是說光催化劑基本可以無選擇地降解有機污染物。

目前，光催化技術(shù)的主要應(yīng)用有三個方面：光催化分解水制氫;液相污染物降解;氣相污染物降解。人們對于光催化科學(xué)的研究總體仍處于探索階段，當(dāng)下的研究方向很多。比如：傳統(tǒng)TiO2的各種修飾改性研究;TiO2與石墨烯等合成復(fù)合光催化材料的研究;新型光催化材料的研究，如BiVO3、ZnO、CdS、Sb2S3等。近年來，國內(nèi)外許多研究者通過多種途徑對TiO2光催化劑進行修飾和改性，以期拓寬其光譜響應(yīng)范圍、提高其光催化活性，科學(xué)家們各顯神通，百家爭鳴，目前主要方法有四種：（1）半導(dǎo)體的復(fù)合;（2）全屬的沉積或負載;（3）離子摻雜;（4）聚合物修飾等。不久，神奇的光催化幫助人們建設(shè)更舒適的生活環(huán)境，乃至創(chuàng)造更發(fā)達的人類文明！

光催化是催化科學(xué)、光電化學(xué)、納米科學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體物理、環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科交織的新領(lǐng)域、新學(xué)科，也是一個新的方向。它的神奇之處在于充分利用光能，尋找新的資源，并給了人們解決能源問題的希望。如果說，當(dāng)前我們所面臨的能源危機是一場暴風(fēng)雪，那么光催化技術(shù)無疑就是“雪中送炭”。在能源危機十分嚴重、資源短缺的問題日益突出之際，光催化為解決當(dāng)前的困境帶來了希望的曙光。因此化學(xué)家們大膽預(yù)測，在不久的將來，光催化技術(shù)極有可能成為人類生活中重要的組成部分，可以幫助人們建設(shè)更加舒適的生活環(huán)境，可以幫助我們創(chuàng)造更加發(fā)達的人類文明！

今日長纓在手，何時縛住蒼龍？最作為科研人，不僅要有“憶往昔，崢嶸歲月”的明智，更要有“數(shù)風(fēng)流人物，還看今朝”的壯志！不久以后，相信神奇的光催化技術(shù)為祖國的發(fā)展助力，為中國夢的早日實現(xiàn)助力，為我們創(chuàng)造美好的明天助力！我愿意把青春獻給科研，獻給人民，獻給祖國！