光催化剂的原理、种类及应用

　　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。典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。

光催化剂原理

　　光催化剂大多是n型半导体材料(当前以为TiO₂使用Z广泛)都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构，即在价带和导带之间存在一个禁带。

　　由于半导体的光吸收闻值与带隙具有式K=1240/Eg(eV)的关系，因此常用的宽带隙半导体的吸收波长闻值大都在紫外区域。当光子能量高于半导体吸收阀值的光照射半导体时，半导体的价带电子发生带间跃迁，即从价带跃迁到导带，从而产生光生电子(e^-)和空穴(l⁺)。

　　此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子，而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性，能将绝大多数的有机物氧化至Z终产物CO₂和H₂O，甚至对一些无机物也能彻底分解。

光催化剂的种类

　　一、金属氧化物光催化剂

　　1、纳米TiO₂系列光催化剂

　　TiO₂一直是光催化研究的ZD，近年来，研究者通过外加场、离子搀杂、特殊形貌合成和氮改性等以提高TiO₂系列光催化剂效率。

　　有学者在微波辅助下制备了B-N共掺杂的TiO₂光催化剂，并将其用于亚甲基蓝溶液的降解，结果表明，与常规方法制备的TiO₂ 相比，反应进行4 h后，亚甲基蓝降解率提高11.6个百分点，达到91.6%。

　　有学者在硅基光电阴极上直接外延共生制备SrTiO₃光催化剂并用于分解水实验，结果表明，在开环电压450 mV时，可得到高达35 mA·cm^-2的光电流密度。

　　有学者采用水热法合成可见光相应的单晶TiO₂纳米线阵列，并在500 ℃氮掺杂改性，发现禁带宽度从通常TiO₂的3.2 eV降至2.4 eV，并且催化剂经过钴处理后光电化学性能进一步提高，在波长为450 nm的光照射下，光电转化效率依然高达18%。

　　2、纳米Bi₂O₃系列光催化剂

　　单独Bi₂O₃作为光催化剂活性较差，但当Bi与V共同存在形成BiVO₄时，光催化活性大大提高。

　　有学者在BiVO₄中掺杂钨进行改性，通过XPS和XRD表征发现，钨的加入改变了BiVO₄原来的晶格结构，并在光分解水实验中利用电化学扫描显微镜证明比BiVO₄具有更高的光催化活性。

　　除BiVO₄外，研究者也大量研究了Bi₂O₃与其他金属复合后的光催化性能。

　　有学者采用水热法分别合成了具有高可见光活性的Cu和Ag掺杂的Bi₂WO₆光催化剂，光催化活性实验表明，在一定条件下催化剂可以对含苯酚废水实现完全降解。

　　有学者从改变Bi₂WO₆的形貌出发，以BiOI为模板剂，在原位转化条件下合成出中空微球结构的Bi₂WO₆光催化剂，并用以降解甲基橙，反应80 min后甲基橙完全降解，而作为对比的片状Bi₂WO₆催化剂仅降解了20%。

　　3、其他金属氧化物光催化剂

　　其他金属氧化物如ZnO、CuO、Fe₂O₃和In₂O₃等也具有良好的光催化活性。

　　有学者利用溶剂热法制备出具有中空结构的ZnFe₂O₄纳米微球，光催化活性实验表明，当罗丹明B的质量浓度为(5～10) mg·L^-1时，降解率可达65%～75%。

　　有学者研究发现，在Fe₂O₃中掺杂物质的量分数分别为4%的Sn和6%的Be后，在0.2 mol·L^-1的KOH溶液中，其可见光的光电转化效率由Fe₂O₃光催化剂的0.14%提高至1.2%。

　　目前，针对金属氧化物光催化剂的研究Z多，并且为了提高光催化活性，常通过金属离子掺杂等技术使晶体结构产生缺陷，从而达到避免光生空穴和光生电子快速复合的目的。

　　二、非氧化物光催化剂

　　1、CdS系列光催化剂

　　CdS由于具有较低的带隙(2.5 eV)，被广泛研究并应用于太阳能电池等领域。CdS光催化剂的制备方法与金属氧化物光催化剂类似，主要有水热法、溶剂热法、超声法、模板剂法和电化学沉积法等。单一的CdS存在稳定性较差和容易腐蚀的缺点，因此，研究主要集中于通过对其进一步改性提高光催化性能和增加稳定性。

　　有学者采用超声法在不同离子液体中通过控制反应条件合成不同形貌的CdS光催化剂，主要包括粒状、棒状以及粒棒混合体等，并用于降解罗丹明B，结果表明，粒状CdS具有Z高的光催化活性，紫外和可见光照射下，反应120 min后，罗丹明B降解率分别为97%和30%。

　　2、CuS系列光催化剂

　　有学者采用水热法，150 ℃下将配制好的混合溶液进行反应，结果表明，在不同反应时间内分别得到微米球、纳米管和六边形纳米片等不同形状的CuS光催化剂，将其中的CuS纳米片用于降解亚甲基蓝，结果表明，反应40 min后，亚甲基蓝降解率达87%。

　　有学者在160 ℃下采用水热合成法，将CuS粒子均匀负载到石墨烯上制备出CuS/石墨烯复合光催化剂，与纯CuS 相比，CuS /石墨烯复合光催化剂表现出更高的光催化活性，以亚甲基蓝为目标物，在可见光照射下，降解率达81%，而纯CuS光催化剂仅有49%。

　　3、氮化物系列光催化剂

　　氮化物光催化剂以其独特的结构引起广泛关注，如Ta₃N₅的禁带宽度只有2.1 eV，可见光活性相对较高。

　　有学者在氨气气氛和800 ℃制备出Ta₃N₅纳米管催化剂，在碱性溶液中进行光分解水实验时，该纳米管催化剂比一般的Ta₃N₅薄膜光电流高3倍多，当进一步用IrO₂和Co₃O₄修饰后，其光催化活性又提高了4倍多。

光催化剂的应用

　　1、在环境治理方面的应用

　　(1)水中无机金属离子的还原:水溶液中金属离子很难除去，往往伴有二次污染，利用光催化剂还原不仅节约能源，而且还避免了二次污染。有学者利用TiO₂的光催化反应将+4价的金属Pt逐步还原成具有催化作用的单质金属微粒。其他金属如Pd、Ag、Au等都可以得到单质金属微粒。可以将有毒物质汞、镉、铅及其氧化物等降解为无毒物质。

　　(2)水中无机非金属离子的降解:有学者研究了利用TiO₂将有毒物质CN^-降解为无毒物质CO₂、N₂、NO₃^-。

　　(3)城市汽车尾气中的有害成分SO₂、H₂S、NO、NO₂等光催化降解。

　　(4)除室内有毒气体:新装修的房子往往苯、二甲苯、甲醛等超标，可以用光催化除去。

　　2、在有机合成方面

　　有学者利用TiO₂微粒使纯1,3,5,7-四甲基环四氧硅烷开环聚合，在催化剂表面生成聚甲基氧硅烷，这为光催化剂在有机合成方面开了先河。

　　近些年来，光催化有机合成迅猛发展，尤其是光催化选择性氧化还原体系在有机合成，涉及到醇氧化、苯氧化、烯烃环氧化和含硝基的芳香族及CO₂的还原。

　　3、在能源方面的应用

　　H₂被誉为是Z清洁的能源，而且能量高，是非常有前景的一种燃料。目前，已经可以利用光解水制得，自1972年有学者首次报道利用TiO₂光催化水制的氢气以来在世界范围内引起轰动。如能提高光催化的转化率，可以解决人类社会的能源危机。另外，TiO₂的光催化特性在太阳能电池方面也有广泛的应用前景。

　　4、在YL卫生方面的应用

　　纳米TiO₂催化剂具有很好的YZ或杀灭细菌、真菌、病毒和癌细胞等作用，有学者研究了TiO₂对大肠杆菌的作用，证实了有杀菌作用。另外，研究发现TiO₂在紫外光照射下可以杀死HeLe肿瘤细胞。他们展开一系列研究，发现使用极化TiO₂微电极，可以选择性杀死肿瘤细胞。

光催化剂的应用前景

　　由于光催化剂满足低能耗对环境友好得到了众多学者的青睐，近些年来，科学工作者对光催化反应深人研究，已取得可喜成绩，因而，光催化反应已经成为催化反应的一个重要分支。

　　但在以下几个方面仍需进一步探索:

　　①提高光催化转化率，增加其实用性;

　　②加大对光解水的研究，找出GX催化剂，廉价生产氢气，解决能源问题;

　　③光催化与YL卫生的结合，实行不同领域间的合作，从根源上治愈疾病;

　　④加强对催化剂的研究与开发，扩大其范围，更全面的了解光催化的反应机理;

　　⑤寻找新的催化剂合成方法，开发新的催化剂。