《中教科普》认识光催化，从光开始。

光催化反应是物质在光和催化剂同时作用下所进行的化学反应。在光催化反应过程中，催化剂通过吸收光子的能量，使催化剂活化产生光生电子和空穴，进而参与氧化还原反应中的电子得失过程。然而，太阳光的能量并不能被完全利用，光化学所涉及的光谱范围只是全光谱（太阳光的光谱可以称作全光谱）中的一部分，实验研究中的光源通常不会使用自然光，而是根据研究需要采用不同的光源设备。

一、光催化领域适用的光

太阳发射的电磁辐射几乎包括了整个电磁波谱（包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线），其中紫外光和可见光的能量占比较多。太阳辐射到达地表之前，大气层的一些主要和微量气成分会其进行选择性吸收，最终，波长大于290 nm的太阳辐射到达对流层和地表。

光催化领域目前仍处于实验研究阶段，由于自然环境的限制，实验中通常不会选择自然光作为光源，而是根据需要选择合适的光源设备，最常用来模拟太阳光是氙灯光源（利用高气压或超高气压氙气的放电而发光的光源设备），例如中教金源CEL-PF300系列氙灯光源，其光辐射稳定且强度高，光谱范围是连续的300~2500nm（该系列UV款光谱范围是200~2500nm），常用作太阳光模拟光源。在光催化分解水、CO2还原、降解等领域普遍适用。其中的CEL-PF300-T10光源设备配备的智能控制系统，能根据实验需要设置光强随时间的自动调节，并且可以完全模拟日光一整天的变化，用于研究光照强度对催化性能的影响。

光化学所涉及光的波长范围为100~1000 nm，即由紫外至近红外波段。但由于受光窗材料和化学键能的限制，光化学中通常适用的光的波长范围为200~700 nm，其中石英光窗材料的透射限约为200 nm。比紫外波长更短的电磁辐射所引起的光电离和化学变化，则属于辐射化学的范畴。至于远红外或波长更长的电磁波，一般认为其光子能量不足以引起光化学变化，因此不属于光化学的研究范畴。

根据公式E=1240/λ可以计算不同波长的光子能量。

二、催化剂活化需要的能量

物质由分子组成，分子吸收能量会产生的运动有平动、转动、振动和分子的电子运动，每一种运动状态都具有一定的能量。在分子的能级中，转动能级间的能量差最小，一般＜0.05 eV，振动能级为0.05 eV~1.00 eV，电子能级间的能量差最大，一般在1~20 eV之间。因此，电子能级间的跃迁需要的能量由紫外和可见光提供。

光催化过程归因于分子中电子的运动，价带中的电子吸收光能后跃迁至导带，产生光生电子（可参与还原反应，提供电子），原来的轨道能级出现光生空穴（可参与氧化反应，夺电子），从而使催化剂具有催化活性。光生电子产生所需的能量由催化剂材料的带隙（导带的最低点和价带的最高点的能量之差）决定。

部分光催化剂材料的带隙宽度较大，只能吸收紫外光，如TiO2（3.2 eV）光催化剂，当入射光波长≤387.5 nm才能被吸收，所以选择该波长范围内发光强度较大的光源有利于反应进行。与氙灯相比，汞灯光源在紫外区域特定范围的光强度更强，属于紫外光源，常用于光催化降解和催化剂带隙较大的紫外光催化反应体系。除此之外，还可用于完成在一些催化剂（如TiO2）表面光沉积贵金属的光化学反应，例如，将贵金属盐溶液与TiO2混合，利用中教金源CEL-M500 高均匀 高稳定汞灯光源系统进行光照，TiO2吸收光能产生的光生电子将金属盐还原为金属颗粒，并且均匀分散在催化剂表面。光源配套的箱体可以避免紫外光对人体的影响。

根据汞蒸气的填充压力不同，汞灯光源能发射特定波长的光，低压、高压汞灯分别可以发射254 nm（CEL-LPH120低压汞灯光源）和365 nm（CEL-LAM500长弧汞灯光源）的紫外光。其中，254 nm的紫外光本身对有机物就有较强的分解作用，365 nm的光分解作用较小，因此为避免光分解与光催化作用机理混淆，对于特定的反应需选择合适的汞灯光源。

除汞灯和氙灯外，LED光源（即发光二极管光源）也可应用于光催化领域，其光谱范围主要集中在可见光区域（365~940 nm），可发射白光和该范围内的十几种特定波长单色光，光源可调，具有很高的稳定性和光的单色性，因此可用于研究不同波长光照下的光催化速率。与汞灯和氙灯不同，LED光源属于冷光源，不会因光照使反应环境升温，因此在进行光热催化反应时可以排除光照升温的影响。除此之外，还可以选择适宜波长的单色光来测量催化剂的量子效率，比带通滤光片更加准确。