[科普中国]-光催化原理

光催化原理是基于光催化剂在光照的条件下具有的氧化还原能力，从而可以达到净化污染物、物质合成和转化等目的。通常情况下，光催化氧化反应以半导体为催化剂，以光为能量，将有机物降解为二氧化碳和水。因此光催化技术作为一种高效、安全的环境友好型环境净化技术，对室内空气质量的改善已得到国际学术界的认可。1

发展历程光催化是藤岛昭教授在1967年的一次试验中，对放入水中的氧化钛单晶进行紫外灯照射，结果发现水被分解成了氧和氢而发现的。通俗意义上讲触媒就是催化剂的意思，光触媒顾名思义就是光催化剂。催化剂是加速化学反应的化学物质，其本身并不参与反应。光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称。

光催化剂的种类其实很多，包括二氧化钛，氧化锌，氧化锡，二氧化锆，硫化镉等多种氧化物硫化物半导体，另外还有部分银盐，卟啉一等也有催化效应，但他们基本都有一个缺点-----存在损耗，即反应前和反应后其本身会出现消耗，而且它们大部分对人体都有一定的毒性。所以，21世纪所知的最有应用价值的光催化材料，就是二氧化钛。2

如何解释光催化这个反应呢，其实，从宏观看，可以把它理解成光合作用的逆反应。

众所周知，最初的地球环境不适合生物生存，后来光合细菌和植物开始用光合作用，用叶绿素作为催化剂，将无机物转化为有机物，它们花了近30亿年才结束了地球的恶劣环境，创造了地球生物发展的温床。而我们的光催化反应则将这个反应反过来了，即催化剂在光的作用下，将有机物转化成了无机物，这对补完自然界的物质循环过程具有巨大的意义。

那么，光催化的微观反应是什么样的呢？通俗的说，二氧化钛粒子本身是很稳定的存在，但是它吸收了紫外光的能量以后，就开始变得“兴奋”起来，把自己身上的电子到处乱扔，于是，它抛出的电子和自身空出的“电位”就变成了撕扯有机物大分子的“刀”，而当能量减弱以后，二氧化钛粒子就需要“歇会”了，它扔出去的电子也全部跑了回来，和空出的电位结合，于是，二氧化钛粒子在不消耗自己的情况下，将有机物降解了，这个过程很复杂，但最终的产物是二氧化碳和水。

原理介绍光催化的原理是利用光来激发二氧化钛等化合物半导体，利用它们产生的电子和空穴来参加氧化—还原反应。 当能量大于或等于能隙的光照射到半导体纳米粒子上时，其价带中的电子将被激发跃迁到导带，在价带上留下相对稳定的空穴，从而形成电子—空穴对。由于纳米材料中存在大量的缺陷和悬键，这些缺陷和悬键能俘获电子或空穴并阻止电子和空穴的重新复合。这些被俘获的电子和空穴分别扩散到微粒的表面，从而产生了强烈的氧化还原势。3

相关概念导带导带（conduction band）是由自由电子形成的能量空间。即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。导带是半导体最外面（能量最高）的一个能带，是由许多准连续的能级组成的；是半导体的一种载流子——自由电子（简称为电子）所处的能量范围。

价带价带（valence band）或称价电带，通常是指半导体或绝缘体中，在0K时能被电子占满的最高能带。对半导体而言，此能带中的能级基本上是连续的。全充满的能带中的电子不能在固体中自由运动。

禁带在能带结构中能态密度为零的能量区间。常用来表示价带和导带之间的能态密度为零的能量区间。禁带宽度的大小决定了材料是具有半导体性质还是具有绝缘体性质。半导体的禁带宽度较小，当温度升高时，电子可以被激发传到导带，从而使材料具有导电性。

能隙能隙（Bandgap energy gap）或译作能带隙，在固态物理学中泛指半导体或是绝缘体的价带（valence band）顶端至导带（conduction band）底端的能量差距。

优点操作简单、能耗低、无二次污染、效率高。

1.直接用空气中的氧气做氧化剂，反应条件温和（常温 常压） 2.可以将有机污染物分解为二氧化碳和水等无机小分子，净化效果彻底。 3.半导体光催化剂化学性质稳定，氧化还原性强，成本低，不存在吸附饱和现象，使用寿命长。

光催化净化技术具有室温深度氧，二次污染小，运行成本低和可望利用太阳光为反应光源等优点，所以光催化特别合适室内挥发有机物的净化，在深度净化方面显示出了巨大的应用潜力。 常见的光催化剂多为金属氧化物和硫化物，其中二氧化钛的综合性能最好，应用最广。自1972年Fujishima和Honda发现在受辐照的二氧化钛上可以持续发生水的氧化还原反应，并产生氢气以来，人们对这一催化反应过程进行了大量研究。

结果表明，二氧化钛具有良好的抗光腐蚀性和催化活性，而且性能稳定，价廉易得，无毒无害，是目前公认的最佳光催化剂。该项技术不仅在废水净化处理方面具有巨大潜力，在空气净化方面同样具有广阔的应用前景。

缺点限制光催化应用的原因：

1.光腐蚀

2.光催化剂本身的吸光率和评价中使用光源的波长与强度

3.光催化反应中电子空穴再结合的防止

4.氧化反应开始后的后续反应难以控制

5.比表面积不足4

通俗的说，光催化剂分解有机物没有选择性，所以，负载催化剂的材料本身也会遭到分解，一旦催化粒子脱落，材料就失效了；第二，催化剂粒子的团聚现象比较严重，导致比表面积太小，催化效果太弱，而由此又导致氧化反应不彻底，反而容易产生其他有害物质。第三，光催化反应对光源的选择性很强，只能在紫外光作用下反应，这也在一定程度上限制了催化效率。

本词条内容贡献者为:

侯传涛 - 副教授 - 青岛大学