神奇的光催化

王燕，張綺彤，張彬，王宇

哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150000

1 氫氣生成

“這是哪里，你們是誰(shuí)呀？”我站在一片黑乎乎的地上，撓了撓頭。

突然一束耀眼的光照了進(jìn)來(lái)，然后我看到有一個(gè)長(zhǎng)著圓腦袋的小朋友從一個(gè)孔穴中“噌”的一下冒出來(lái)，我竟被嚇得倒退了幾步。

“不要害怕啊，小朋友，剛才是我的好搭檔光子，他帶著自身的光能照進(jìn)光催化劑里，我因?yàn)樗哪芰坎拍軓墓獯呋瘎┲斜患ぐl(fā)出來(lái)，一會(huì)兒就讓我?guī)憷^續(xù)參觀吧?！边@個(gè)圓腦袋的小朋友激動(dòng)地說(shuō)道[1]。

這時(shí)地面竟然說(shuō)話(huà)了：“小朋友，你好呀，這里是光催化制氫部落，1972年，F(xiàn)ujishima教授和Honda教授發(fā)現(xiàn)了水在二氧化鈦電極上可以光催化分解為氫和氧，這標(biāo)志著多相光催化時(shí)代的開(kāi)始，也使光催化制氫部落發(fā)展了起來(lái)。我們因?yàn)橛歇?dú)特的電子結(jié)構(gòu)而被廣泛地應(yīng)用于光催化領(lǐng)域，成為光催化制氫半導(dǎo)體材料。在我的身體里，電子填滿(mǎn)了一些能量較低的能帶，也稱(chēng)為滿(mǎn)帶，其中能量最高的滿(mǎn)帶稱(chēng)為價(jià)帶。你們現(xiàn)在站的地方就是價(jià)帶了，而價(jià)帶之上有一系列空帶，而能量最低的空帶則稱(chēng)為導(dǎo)帶。一會(huì)兒你就會(huì)進(jìn)入到那里，見(jiàn)證一些奇妙的反應(yīng)?！?/p>

我這才意識(shí)到我竟然在光催化的部落中，而且還是在別人的肚子里，我一頭霧水，不知道接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么。

“他是光生電子，接下來(lái)的旅程就讓他為你做向?qū)О?。”光催化劑又說(shuō)道。

“走吧！快跟我來(lái)！”電子小朋友迫不及待地拉起我的手，他拉著我一起飛過(guò)了像銀河一樣的通道。

“我們到了?！彼牧伺奈业募绨?。

“這是什么地方?。俊蔽矣趾闷娴匕l(fā)問(wèn)。這時(shí)候一個(gè)十分溫柔的女聲在我耳邊響起來(lái)，“我是你們的導(dǎo)帶姐姐，你們已經(jīng)到了我的領(lǐng)地，接下來(lái)你就會(huì)在我這里看到神奇的光催化反應(yīng)了?！?/p>

“氫離子妹妹等很久了，走，我們?nèi)ゴ呋瘎┑谋砻嫔险覛潆x子妹妹！”我聽(tīng)見(jiàn)電子興奮地說(shuō)。我和他一起像穿過(guò)了厚厚的泥土一樣，好不容易冒出了頭，到了催化劑的表面，發(fā)現(xiàn)四周都是水，像在深海里一樣。

“這就是氫離子妹妹！”電子熱情地向我介紹道。

只見(jiàn)電子小朋友走了過(guò)去，他們手拉著手一起轉(zhuǎn)啊轉(zhuǎn)，最后融合為一體，儼然變成了一個(gè)全新的模樣，我十分驚訝，捂住了嘴巴。

“你好，小朋友，我是氫氣，我是光催化反應(yīng)中由氫離子和電子還原產(chǎn)生的。我是一種清潔的新能源載體，可用于燃料電池，將太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源儲(chǔ)存，未來(lái)的市場(chǎng)前景十分廣闊?！边@時(shí)氫氣發(fā)聲了。

“光生電子有很強(qiáng)的還原性，他們倆結(jié)合發(fā)生反應(yīng)，使得氫離子變成氫氣，這就是光催化的制氫反應(yīng)哦?！睂?dǎo)帶姐姐向我解釋[2]。

“這真的太奇妙了！”我不禁感嘆道。

“好了，光電子的使命已經(jīng)完成，我送你回到你出發(fā)的地方吧?！睂?dǎo)帶姐姐說(shuō)道。

“嗖”的一下，我又回到了價(jià)帶，低頭看見(jiàn)地上有許多的孔洞。

“不要小看這些孔哦，他們是光生電子激發(fā)出去留下的空穴，有極強(qiáng)的氧化性，在導(dǎo)帶發(fā)生反應(yīng)的同時(shí)，這里也會(huì)發(fā)生相對(duì)應(yīng)的氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)一起構(gòu)成了光催化反應(yīng)。剛才電子跑到導(dǎo)帶上時(shí)，空穴就可以將H2O氧化為O2，完成了另外一個(gè)半反應(yīng)(圖1)?！眱r(jià)帶姐姐語(yǔ)重心長(zhǎng)地說(shuō)道。

圖1 光催化制氫原理圖

“但是要想實(shí)現(xiàn)這一反應(yīng)，光催化劑材料就必須滿(mǎn)足特殊的能帶結(jié)構(gòu)，要求同時(shí)滿(mǎn)足導(dǎo)帶電位較H＋/H2(0 eV)電位更負(fù)，價(jià)帶電位較O2/H2O(1.23 eV)電位更正(圖2)。此外你看到的光生電子和空穴，他們之間很容易復(fù)合，這會(huì)使光催化反應(yīng)無(wú)法進(jìn)行，所以大部分材料需要在反應(yīng)水溶液中加入電子給體作為犧牲劑，不可逆地消耗光催化過(guò)程中產(chǎn)生的空穴，進(jìn)而延長(zhǎng)光生電子壽命?！眱r(jià)帶又說(shuō)道。

圖2 常見(jiàn)半導(dǎo)體催化劑的能帶結(jié)構(gòu)

“啊，原來(lái)是這樣啊?！蔽尹c(diǎn)點(diǎn)頭。

“這樣吧，你既然已經(jīng)了解光催化制氫的過(guò)程了，下面你可以去我們的氫能利用城市看看，那里會(huì)帶給你更多的驚喜。”催化劑說(shuō)道。

“好！”

忽然一轉(zhuǎn)，我來(lái)到了一個(gè)漂亮的城市，這里有著藍(lán)藍(lán)的天空、錯(cuò)落的街道。

我走上前去，看到路上行駛的車(chē)輛都標(biāo)注了氫能汽車(chē)、無(wú)污染的標(biāo)志。人們使用的能源也都是來(lái)自氫能，真的讓我大吃一驚?，F(xiàn)在地球上污染這么嚴(yán)重，如果我們也可以利用綠色氫能，一定可以更好地保護(hù)環(huán)境。

“光催化制氫部落你已經(jīng)參觀完了，我把你送到下一個(gè)部落吧?！边@時(shí)制氫催化劑的聲音在我耳邊響起了。

2 CO2還原

有了剛才的經(jīng)歷，我感覺(jué)適應(yīng)了一些，不像剛才那么震驚，對(duì)接下來(lái)的旅程更加充滿(mǎn)期待。轉(zhuǎn)眼之間，我又被送到了一個(gè)新的部落，看到路邊的標(biāo)志上寫(xiě)著“光催化二氧化碳還原”。我走了進(jìn)去，迎面碰上了一個(gè)胖胖的小朋友，他長(zhǎng)著一頭紅色的頭發(fā)，身體圓滾滾的，十分憨態(tài)可掬。

“遠(yuǎn)方的朋友你好，早就聽(tīng)說(shuō)你要來(lái)了，歡迎來(lái)到二氧化碳還原部落。我是一個(gè)二氧化碳分子，接下來(lái)和我一起去找催化劑姐姐，讓我能夠變身成為更有用的化學(xué)物質(zhì)吧。”他朝我紳士地鞠了個(gè)躬。

“好的！”

“因?yàn)槲覀冃再|(zhì)特殊，我不好吸附到催化劑的表面，所以這些催化劑都是特殊為我們?cè)O(shè)計(jì)的?？旄襾?lái)吧!”

一會(huì)兒，我們來(lái)到了一個(gè)名叫CO2還原工廠(chǎng)的地方，CO2開(kāi)心地拉著我進(jìn)去。我們一起跳進(jìn)了其中一個(gè)還原車(chē)間，水里漂浮著許多黑色的固體。

“來(lái)，和我一起抱在催化劑的表面，等待光電子來(lái)找我?！?/p>

“光電子？是被光能激發(fā)的那個(gè)光生電子嗎？”我問(wèn)道。

“沒(méi)錯(cuò)，想必你已經(jīng)見(jiàn)過(guò)他了，我的轉(zhuǎn)化也少不了他的助力?！?/p>

忽然一道白光閃過(guò)，我反應(yīng)過(guò)來(lái)這是光催化反應(yīng)要開(kāi)始了。“這些光子的能量都是大于半導(dǎo)體能帶間隙，就是價(jià)帶和導(dǎo)帶的能量差，就是價(jià)帶中的電子脫離共價(jià)鍵跑到導(dǎo)帶所需的最低能量，一般用Eg表示?！盋O2向我說(shuō)道[3]。

“光電子來(lái)了！”CO2激動(dòng)地說(shuō)道。只見(jiàn)圓腦袋的小朋友沖破束縛，鉆了出來(lái)。

“快來(lái)幫助我變身吧，電子小朋友?！?/p>

轉(zhuǎn)眼間，CO2不見(jiàn)了，竟然變成了好幾個(gè)長(zhǎng)相各異的朋友。

“你好呀，我們是由CO2和電子還原得到的低碳化合物家族成員，我是其中的大哥CH4，這是我的二弟CH3OH、三弟HCHO、四弟HCOOH、小弟C2H5OH，除了我們，家族還有其他成員哦(圖3)?！逼渲幸粋€(gè)成員向我解釋道[4]。

圖3 光催化CO2還原原理圖

“這真的太神奇了，竟然可以由CO2變身成為一個(gè)家族?！?/p>

“沒(méi)錯(cuò)，經(jīng)過(guò)CO2這一變身啊，我們兄弟就可以變成可以被利用的資源了，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分類(lèi)篩選，輸送到下一個(gè)能量站，為我們光催化CO2還原部落不斷助力。”

“這意義十分重大啊，在我生活的地球上，CO2是溫室氣體，引起了全球變暖等效應(yīng)。光催化CO2還原不就可以促進(jìn)太陽(yáng)能的使用、緩解溫室效應(yīng)，在減少溫室氣體排放的同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)碳資源的循環(huán)與能源經(jīng)濟(jì)的發(fā)展呀?！蔽衣?lián)想到在學(xué)校學(xué)習(xí)的環(huán)保知識(shí)，十分興奮地說(shuō)道。

他們聽(tīng)了我的話(huà)都十分贊同，為我鼓起了掌。

我害羞地低下頭。

在這時(shí)，催化劑又發(fā)聲了。

“小朋友，看來(lái)你參觀得十分細(xì)致，接下來(lái)讓我送你去最后一個(gè)部落吧?！?/p>

3 污染物降解

“各位乘客，光催化降解站到了?！卑殡S著下車(chē)的提示音，我發(fā)現(xiàn)自己來(lái)到了光催化降解部落。

“小朋友，歡迎光臨，讓我?guī)闳ノ覀儾柯涞墓獯呋到馕廴疚镏行?。”迎面走?lái)一個(gè)黑黑瘦瘦的中年人熱情地向我打招呼。

不一會(huì)兒，我們就到了一個(gè)像工作車(chē)間的地方。

“看，這里面都是降解污染物的光催化劑，當(dāng)大于能帶間隙能量的光子進(jìn)去后，就激發(fā)價(jià)帶上的光生電子(e-)躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)帶上留下空穴(h+)[5]。你看，電子和空穴這一對(duì)搭檔分別跑到催化劑表面了，空穴(h+)自身具有很強(qiáng)的氧化性，他自己就能制服污染物，但是他還能與H2O、OH-一起反應(yīng)生成強(qiáng)氧化性的羥基自由基·OH。而電子本身具有還原性，可以將污染物還原后降解，同時(shí)電子(e-)還可以與水中溶解的O2反應(yīng)生成超氧自由基·O-2。超氧自由基進(jìn)一步與h+反應(yīng)生成·OH。最后，·O-2、·OH和h+他們合力將水中污染物降解。經(jīng)過(guò)這一系列的反應(yīng)，這些污染物已經(jīng)變成H2O、CO2等無(wú)機(jī)物(圖4)。”中年人向我介紹道[6]。

圖4 光催化降解原理圖

接下來(lái)我們來(lái)到殺菌車(chē)間，在這里我們看到許多細(xì)菌和病毒，也在光催化的作用下，被分解掉了。

“好厲害呀，如果有了這項(xiàng)技術(shù)，污水、廢氣就不會(huì)再污染地球了，太陽(yáng)光就可以將他們降解掉，對(duì)環(huán)境十分友好啊。而且在如今新冠疫情爆發(fā)的時(shí)代，病毒席卷，這項(xiàng)技術(shù)如果能被實(shí)際運(yùn)用，將會(huì)為全世界造福啊?！蔽也唤锌?。

突然腳下一輕，再次站定，發(fā)現(xiàn)自己來(lái)到了一個(gè)宮殿前，見(jiàn)到了一個(gè)老人。

“小朋友你好，我是光催化國(guó)的國(guó)王，看到你今天的收獲很大呀，其實(shí)我們國(guó)度還有光催化固氮等部落，時(shí)間不夠了，下次你可以再去參觀，現(xiàn)在讓我送你回家吧?！?/p>

“好，感謝您，我們下次再見(jiàn)。”我深深地鞠躬道謝。

“下次再見(jiàn)，下次再見(jiàn)，神奇的光催化王國(guó)！”我大聲喊道。

突然眼前的一切消失了，睜開(kāi)眼睛，原來(lái)我是在展覽館里看化學(xué)能源的科普片呀，剛才所發(fā)生的故事竟然是我的一個(gè)夢(mèng)。光催化對(duì)環(huán)保的作用如此巨大，有制取氫氣、還原CO2、降解污染物等，我一定要在一會(huì)兒的總結(jié)匯報(bào)中向同學(xué)們展示。