[科普中國(guó)]-光催化原理

光催化原理是基于光催化劑在光照的條件下具有的氧化還原能力，從而可以達(dá)到凈化污染物、物質(zhì)合成和轉(zhuǎn)化等目的。通常情況下，光催化氧化反應(yīng)以半導(dǎo)體為催化劑，以光為能量，將有機(jī)物降解為二氧化碳和水。因此光催化技術(shù)作為一種高效、安全的環(huán)境友好型環(huán)境凈化技術(shù)，對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的改善已得到國(guó)際學(xué)術(shù)界的認(rèn)可。1

發(fā)展歷程光催化是藤島昭教授在1967年的一次試驗(yàn)中，對(duì)放入水中的氧化鈦單晶進(jìn)行紫外燈照射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水被分解成了氧和氫而發(fā)現(xiàn)的。通俗意義上講觸媒就是催化劑的意思，光觸媒顧名思義就是光催化劑。催化劑是加速化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，其本身并不參與反應(yīng)。光催化劑就是在光子的激發(fā)下能夠起到催化作用的化學(xué)物質(zhì)的統(tǒng)稱(chēng)。

光催化劑的種類(lèi)其實(shí)很多，包括二氧化鈦，氧化鋅，氧化錫，二氧化鋯，硫化鎘等多種氧化物硫化物半導(dǎo)體，另外還有部分銀鹽，卟啉一等也有催化效應(yīng)，但他們基本都有一個(gè)缺點(diǎn)-----存在損耗，即反應(yīng)前和反應(yīng)后其本身會(huì)出現(xiàn)消耗，而且它們大部分對(duì)人體都有一定的毒性。所以，21世紀(jì)所知的最有應(yīng)用價(jià)值的光催化材料，就是二氧化鈦。2

如何解釋光催化這個(gè)反應(yīng)呢，其實(shí)，從宏觀看，可以把它理解成光合作用的逆反應(yīng)。

眾所周知，最初的地球環(huán)境不適合生物生存，后來(lái)光合細(xì)菌和植物開(kāi)始用光合作用，用葉綠素作為催化劑，將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，它們花了近30億年才結(jié)束了地球的惡劣環(huán)境，創(chuàng)造了地球生物發(fā)展的溫床。而我們的光催化反應(yīng)則將這個(gè)反應(yīng)反過(guò)來(lái)了，即催化劑在光的作用下，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化成了無(wú)機(jī)物，這對(duì)補(bǔ)完自然界的物質(zhì)循環(huán)過(guò)程具有巨大的意義。

那么，光催化的微觀反應(yīng)是什么樣的呢？通俗的說(shuō)，二氧化鈦粒子本身是很穩(wěn)定的存在，但是它吸收了紫外光的能量以后，就開(kāi)始變得“興奮”起來(lái)，把自己身上的電子到處亂扔，于是，它拋出的電子和自身空出的“電位”就變成了撕扯有機(jī)物大分子的“刀”，而當(dāng)能量減弱以后，二氧化鈦粒子就需要“歇會(huì)”了，它扔出去的電子也全部跑了回來(lái)，和空出的電位結(jié)合，于是，二氧化鈦粒子在不消耗自己的情況下，將有機(jī)物降解了，這個(gè)過(guò)程很復(fù)雜，但最終的產(chǎn)物是二氧化碳和水。

原理介紹光催化的原理是利用光來(lái)激發(fā)二氧化鈦等化合物半導(dǎo)體，利用它們產(chǎn)生的電子和空穴來(lái)參加氧化—還原反應(yīng)。 當(dāng)能量大于或等于能隙的光照射到半導(dǎo)體納米粒子上時(shí)，其價(jià)帶中的電子將被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶上留下相對(duì)穩(wěn)定的空穴，從而形成電子—空穴對(duì)。由于納米材料中存在大量的缺陷和懸鍵，這些缺陷和懸鍵能俘獲電子或空穴并阻止電子和空穴的重新復(fù)合。這些被俘獲的電子和空穴分別擴(kuò)散到微粒的表面，從而產(chǎn)生了強(qiáng)烈的氧化還原勢(shì)。3

相關(guān)概念導(dǎo)帶導(dǎo)帶（conduction band）是由自由電子形成的能量空間。即固體結(jié)構(gòu)內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)的電子所具有的能量范圍。導(dǎo)帶是半導(dǎo)體最外面（能量最高）的一個(gè)能帶，是由許多準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)組成的；是半導(dǎo)體的一種載流子——自由電子（簡(jiǎn)稱(chēng)為電子）所處的能量范圍。

價(jià)帶價(jià)帶（valence band）或稱(chēng)價(jià)電帶，通常是指半導(dǎo)體或絕緣體中，在0K時(shí)能被電子占滿(mǎn)的最高能帶。對(duì)半導(dǎo)體而言，此能帶中的能級(jí)基本上是連續(xù)的。全充滿(mǎn)的能帶中的電子不能在固體中自由運(yùn)動(dòng)。

禁帶在能帶結(jié)構(gòu)中能態(tài)密度為零的能量區(qū)間。常用來(lái)表示價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能態(tài)密度為零的能量區(qū)間。禁帶寬度的大小決定了材料是具有半導(dǎo)體性質(zhì)還是具有絕緣體性質(zhì)。半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，當(dāng)溫度升高時(shí)，電子可以被激發(fā)傳到導(dǎo)帶，從而使材料具有導(dǎo)電性。

能隙能隙（Bandgap energy gap）或譯作能帶隙，在固態(tài)物理學(xué)中泛指半導(dǎo)體或是絕緣體的價(jià)帶（valence band）頂端至導(dǎo)帶（conduction band）底端的能量差距。

優(yōu)點(diǎn)操作簡(jiǎn)單、能耗低、無(wú)二次污染、效率高。

1.直接用空氣中的氧氣做氧化劑，反應(yīng)條件溫和（常溫 常壓） 2.可以將有機(jī)污染物分解為二氧化碳和水等無(wú)機(jī)小分子，凈化效果徹底。 3.半導(dǎo)體光催化劑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，氧化還原性強(qiáng)，成本低，不存在吸附飽和現(xiàn)象，使用壽命長(zhǎng)。

光催化凈化技術(shù)具有室溫深度氧，二次污染小，運(yùn)行成本低和可望利用太陽(yáng)光為反應(yīng)光源等優(yōu)點(diǎn)，所以光催化特別合適室內(nèi)揮發(fā)有機(jī)物的凈化，在深度凈化方面顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。 常見(jiàn)的光催化劑多為金屬氧化物和硫化物，其中二氧化鈦的綜合性能最好，應(yīng)用最廣。自1972年Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)在受輻照的二氧化鈦上可以持續(xù)發(fā)生水的氧化還原反應(yīng)，并產(chǎn)生氫氣以來(lái)，人們對(duì)這一催化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了大量研究。

結(jié)果表明，二氧化鈦具有良好的抗光腐蝕性和催化活性，而且性能穩(wěn)定，價(jià)廉易得，無(wú)毒無(wú)害，是目前公認(rèn)的最佳光催化劑。該項(xiàng)技術(shù)不僅在廢水凈化處理方面具有巨大潛力，在空氣凈化方面同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。

缺點(diǎn)限制光催化應(yīng)用的原因：

1.光腐蝕

2.光催化劑本身的吸光率和評(píng)價(jià)中使用光源的波長(zhǎng)與強(qiáng)度

3.光催化反應(yīng)中電子空穴再結(jié)合的防止

4.氧化反應(yīng)開(kāi)始后的后續(xù)反應(yīng)難以控制

5.比表面積不足4

通俗的說(shuō)，光催化劑分解有機(jī)物沒(méi)有選擇性，所以，負(fù)載催化劑的材料本身也會(huì)遭到分解，一旦催化粒子脫落，材料就失效了；第二，催化劑粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象比較嚴(yán)重，導(dǎo)致比表面積太小，催化效果太弱，而由此又導(dǎo)致氧化反應(yīng)不徹底，反而容易產(chǎn)生其他有害物質(zhì)。第三，光催化反應(yīng)對(duì)光源的選擇性很強(qiáng)，只能在紫外光作用下反應(yīng)，這也在一定程度上限制了催化效率。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

侯傳濤 - 副教授 - 青島大學(xué)