光催化技術(shù)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

呂奎霖

（1中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司 北京 100024）

（2中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司＜綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室＞ 北京 100024）

1 光催化技術(shù)研究概況

如今，人類社會(huì)的發(fā)展已經(jīng)受到了世界能源短缺和嚴(yán)重環(huán)境污染問題的極大影響。來自世界各地的政府和科學(xué)家正在尋找綠色和可持續(xù)的方法來解決上述問題。在潛在的技術(shù)解決方案中，基于半導(dǎo)體材料的光催化反應(yīng)被認(rèn)為是當(dāng)下最有效的一個(gè)能夠解決能源和環(huán)境問題的方法[1]。半導(dǎo)體光催化使用不竭的陽光作為反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，并使用廉價(jià)且無害的半導(dǎo)體材料作為催化反應(yīng)介質(zhì)，是清潔、安全且低成本的技術(shù)。大多數(shù)光催化劑具有特殊的電子結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體材料獨(dú)特的光學(xué)特性[2-3]。其優(yōu)勢(shì)為解決人類社會(huì)發(fā)展問題提供了一個(gè)很好的方案。

2 半導(dǎo)體光催化原理

半導(dǎo)體光催化是將半導(dǎo)體材料作為介質(zhì)，以太陽光驅(qū)動(dòng)其反應(yīng)。促進(jìn)反應(yīng)的過程是指利用光能在物質(zhì)之間轉(zhuǎn)換的過程。在這個(gè)過程中，光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能[4]。反應(yīng)機(jī)理如圖1所示。帶隙結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體材料自身所有的，在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)可以對(duì)太陽光進(jìn)行響應(yīng)。因此，其在特定波長(zhǎng)范圍的光激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生光生載流子、光生電子和光生空穴。光生電子將集中在半導(dǎo)體的導(dǎo)帶（CB）上，而光生空穴將集中在半導(dǎo)體的價(jià)帶（VB）上，形成氧化還原體系，生成羥基自由基（·OH）和超氧離子自由基（·O：）[5]。

圖1 半導(dǎo)體光催化原理示意圖

H2O，OH-和O2能很好抑制電子空穴。而·OH和·O2具有強(qiáng)氧化性，能將有機(jī)物分解成H2O，CO2和無機(jī)分子。

3 常見半導(dǎo)體光催化劑

許多半導(dǎo)體材料表現(xiàn)出一定程度的光催化活性，其中，納米催化劑在降解污染物、空氣凈化和化學(xué)反應(yīng)合成等方面作用良好，但大多數(shù)單元半導(dǎo)體材料的光能利用率很低[6]。因此，開發(fā)更有效的催化材料是光催化研究的主要方向之一。為了解決這一問題，可以采取兩種措施：一是制備納米結(jié)構(gòu)、構(gòu)建半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)、半導(dǎo)體材料或表面改性及制備多元復(fù)合催化材料。二是尋找和開發(fā)一種在可見光范圍內(nèi)能直接響應(yīng)的高催化活性的新型光催化劑[7-8]。因此，窄帶隙半導(dǎo)體材料已成為許多人的研究目標(biāo)。

4 提高光催化活性的途徑

有一些因素會(huì)影響釩酸鉍鉍半導(dǎo)體光催化劑的活性：（1）結(jié)晶度和缺陷度：晶格缺陷度由半導(dǎo)體光催化劑的結(jié)晶度來體現(xiàn)。隨著材料的結(jié)晶度增加，內(nèi)部缺陷減少，能有效抑制電子-空穴復(fù)合。（2）能帶位置：能帶結(jié)構(gòu)會(huì)影響半導(dǎo)體對(duì)光的吸收。帶隙越窄，電子躍遷所需的能量越小，可以使用的光的波長(zhǎng)范圍越大，太陽能的利用率越高。（3）粒徑和比表面積：比表面積越大，可反應(yīng)的活性位點(diǎn)越多，可產(chǎn)生大密度的缺陷態(tài)和表面態(tài)，從而更好地實(shí)現(xiàn)光生電子和空穴的有效分離[9-10]。

有一些方法可以增強(qiáng)釩酸鉍的催化活性：（1）摻雜金屬離子：將金屬離子摻雜到半導(dǎo)體材料中時(shí)，引入會(huì)重新分布表面電荷，從而顯著提高載流子轉(zhuǎn)移、運(yùn)輸和分離的效率，并增強(qiáng)光催化氧化還原反應(yīng)。（2）形狀調(diào)節(jié)：可以合成更多空心球、納米管、多孔、納米棒等結(jié)構(gòu)，使得比表面積和光生載流子的遷移率有所提高，為反應(yīng)過程增加了很多活性中心。（3）貴金屬負(fù)載：將光響應(yīng)范圍擴(kuò)展到通常用作電子受體的可見光區(qū)域，也就是說，貴金屬能夠很容易捕獲電子，從而增加了電子與空穴之間的距離并延長(zhǎng)了金屬的壽命。光生電流改善了光催化活性。（4）半導(dǎo)體復(fù)合：在抑制載流子復(fù)合的各種方法中，基性異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料的構(gòu)建越來越受到重視。由于兩種半導(dǎo)體之間的電位差，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，形成一種新的電子結(jié)構(gòu)，可以有效地將光生電子和空穴分開，并在空間中轉(zhuǎn)移。光催化技術(shù)是當(dāng)前科學(xué)研究領(lǐng)域最受關(guān)注的課題之一，許多半導(dǎo)體材料具有一定的光催化性能，但由于太陽能利用率低、量子產(chǎn)率低等問題，限制了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和應(yīng)用，因此，光催化的基礎(chǔ)研究主要集中在新型光催化劑的開發(fā)和反應(yīng)活性的提高上。

5 結(jié)語

當(dāng)前，環(huán)境和能源形勢(shì)日趨嚴(yán)峻。太陽能和光催化劑越來越受到人們的重視。半導(dǎo)體光催化技術(shù)因其環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用范圍廣而備受關(guān)注。光催化劑具有降解水中污染物、減少空氣中二氧化碳、獲得綠色能源的作用，對(duì)能源短缺和環(huán)境問題具有重要作用。光催化技術(shù)在我們的日常生活中得到了改進(jìn)和廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了光催化技術(shù)在環(huán)境治理領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。