光催化技術研究現狀與進展

呂奎霖

（1中國建材檢驗認證集團股份有限公司 北京 100024）

（2中國建筑材料科學研究總院有限公司＜綠色建筑材料國家重點實驗室＞ 北京 100024）

1 光催化技術研究概況

如今，人類社會的發展已經受到了世界能源短缺和嚴重環境污染問題的極大影響。來自世界各地的政府和科學家正在尋找綠色和可持續的方法來解決上述問題。在潛在的技術解決方案中，基于半導體材料的光催化反應被認為是當下最有效的一個能夠解決能源和環境問題的方法[1]。半導體光催化使用不竭的陽光作為反應的驅動力，并使用廉價且無害的半導體材料作為催化反應介質，是清潔、安全且低成本的技術。大多數光催化劑具有特殊的電子結構和半導體材料獨特的光學特性[2-3]。其優勢為解決人類社會發展問題提供了一個很好的方案。

2 半導體光催化原理

半導體光催化是將半導體材料作為介質，以太陽光驅動其反應。促進反應的過程是指利用光能在物質之間轉換的過程。在這個過程中，光能轉化為化學能[4]。反應機理如圖1所示。帶隙結構是半導體材料自身所有的，在特定波長范圍內可以對太陽光進行響應。因此，其在特定波長范圍的光激發下會產生光生載流子、光生電子和光生空穴。光生電子將集中在半導體的導帶（CB）上，而光生空穴將集中在半導體的價帶（VB）上，形成氧化還原體系，生成羥基自由基（·OH）和超氧離子自由基（·O：）[5]。

圖1 半導體光催化原理示意圖

H2O，OH-和O2能很好抑制電子空穴。而·OH和·O2具有強氧化性，能將有機物分解成H2O，CO2和無機分子。

3 常見半導體光催化劑

許多半導體材料表現出一定程度的光催化活性，其中，納米催化劑在降解污染物、空氣凈化和化學反應合成等方面作用良好，但大多數單元半導體材料的光能利用率很低[6]。因此，開發更有效的催化材料是光催化研究的主要方向之一。為了解決這一問題，可以采取兩種措施：一是制備納米結構、構建半導體異質結、半導體材料或表面改性及制備多元復合催化材料。二是尋找和開發一種在可見光范圍內能直接響應的高催化活性的新型光催化劑[7-8]。因此，窄帶隙半導體材料已成為許多人的研究目標。

4 提高光催化活性的途徑

有一些因素會影響釩酸鉍鉍半導體光催化劑的活性：（1）結晶度和缺陷度：晶格缺陷度由半導體光催化劑的結晶度來體現。隨著材料的結晶度增加，內部缺陷減少，能有效抑制電子-空穴復合。（2）能帶位置：能帶結構會影響半導體對光的吸收。帶隙越窄，電子躍遷所需的能量越小，可以使用的光的波長范圍越大，太陽能的利用率越高。（3）粒徑和比表面積：比表面積越大，可反應的活性位點越多，可產生大密度的缺陷態和表面態，從而更好地實現光生電子和空穴的有效分離[9-10]。

有一些方法可以增強釩酸鉍的催化活性：（1）摻雜金屬離子：將金屬離子摻雜到半導體材料中時，引入會重新分布表面電荷，從而顯著提高載流子轉移、運輸和分離的效率，并增強光催化氧化還原反應。（2）形狀調節：可以合成更多空心球、納米管、多孔、納米棒等結構，使得比表面積和光生載流子的遷移率有所提高，為反應過程增加了很多活性中心。（3）貴金屬負載：將光響應范圍擴展到通常用作電子受體的可見光區域，也就是說，貴金屬能夠很容易捕獲電子，從而增加了電子與空穴之間的距離并延長了金屬的壽命。光生電流改善了光催化活性。（4）半導體復合：在抑制載流子復合的各種方法中，基性異質結復合材料的構建越來越受到重視。由于兩種半導體之間的電位差，會產生一個內建電場，形成一種新的電子結構，可以有效地將光生電子和空穴分開，并在空間中轉移。光催化技術是當前科學研究領域最受關注的課題之一，許多半導體材料具有一定的光催化性能，但由于太陽能利用率低、量子產率低等問題，限制了其產業化發展和應用，因此，光催化的基礎研究主要集中在新型光催化劑的開發和反應活性的提高上。

5 結語

當前，環境和能源形勢日趨嚴峻。太陽能和光催化劑越來越受到人們的重視。半導體光催化技術因其環保、經濟、應用范圍廣而備受關注。光催化劑具有降解水中污染物、減少空氣中二氧化碳、獲得綠色能源的作用，對能源短缺和環境問題具有重要作用。光催化技術在我們的日常生活中得到了改進和廣泛應用，促進了光催化技術在環境治理領域的實際應用。