光催化剂
摘要：
1.起源
光触媒，是一个外来词，起源于日本，由于日本文字写成“光触媒”，所以中国人就直接把她命名为“光触媒”。其实日文“光触媒”翻译成中文应该叫“光催化剂”翻译成英文叫“photo catalyst”。光触媒于1967年被当时还是东京大学研究生的藤岛昭教授发现。在一次试验中对放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分解成了氧和氢。这一效果作为“ 本多· 藤岛效果” （Honda-Fujishima Effect）而闻名于世，该名称组合了藤岛教授和当时他的指导教师----东京工艺大学校长本多健一的名字。
这种现象相当于将光能转变为化学能，以当时正值石油危机的背景，世人对寻找新能源的期待甚为殷切，因此这一技术作为从水中提取氢的划时代方法受到了瞩目，但由于很难在短时间内提取大量的氢气，所以利用于新能源的开发终究无法实现，因此在轰动一时后迅速降温。
1992年第一次二氧化钛光触媒国际研讨会在加拿大举行，日本的研究机构发表许多关于光触媒的新观念，并提出应用于氮氧化物净化的研究成果。因此二氧化钛相关的专利数目亦最多，其它触媒关连技术则涵盖触媒调配的制程、触媒构造、触媒担体、触媒固定法、触媒性能测试等。以此为契机，光触媒应用于抗菌、防污、空气净化等领域的相关研究急剧增加，从1971年至2000年6月总共有10,717件光触媒的相关专利提出申请。二氧化钛 TiO 2 光触媒的广泛应用，将为人们带来清洁的环境、健康的身体。
催化剂是加速化学反应的化学物质，其本身并不参加反应。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。
光触媒是一种纳米级的金属氧化物材料，它涂布于基材表面，在光线的作用下，产生强烈催化降解功能：能有效地降解空气中有毒有害气体；能有效杀灭多种细菌，并能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理；同时还具备除臭、抗污等功能。光催化是在光的辐照下使催化剂周围的氧气和水转化成极具活性的氧自由基，氧化力极强，几乎可以分解所有对人体或环境有害的有机物质总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。
早在1839 年, Becquere 就发现了光电现象, 然而未能对其进行理论解释。直到1955 年, Brattain 和Gareet才对光电现象进行了合理的解释, 标志着光电化学的诞生。1972 年, 日本东京大学Fu jishmi a和H onda研究发现[ 3] , 利用二氧化钛单晶进行光催化反应可使水分解成氢和氧。这一开创性的工作标志着光电现象应用于光催化分解水制氢研究的全面启动。在过去30 年里, 人们在光催化材料开发与应用方面的研究取得了丰硕的成果[ 4- 5] 。
以二氧化钛为例, 揭示了其晶体结构、表面羟基自由基以及氧缺陷对量子效率的影响机制; 采用元素掺杂、复合半导体以及光敏化等手段拓展其光催化活性至可见光响应范围; 通过在其表面沉积贵金属纳米颗粒可以提高电子- 空穴对
的分离效率, 提高其光催化活性。尽管人们对光催化现象的认知与应用取得了长足的进步, 然而受认知手段与认知水平的限制, 目前对光催化作用机理的研究成果仍不足以指导光催化技术的大规模工业化应用, 亟待大力开展光催化基本原理研究工作以促进这一领域的发展。另一方面, 现有光催化材料的光响应范围窄, 量子转换效率低, 太阳能利用率低, 依然是制约光催化材料应用的瓶颈。寻找和制备高量子效率光催化材料是实现光能转换的先决条件, 也是光催化材料研究者所需要解决的首要任务之一。
2.光催化剂材料
世界上能作为光触媒的材料众多，包括二氧化钛(TiO2),氧化锌(ZnO),氧化锡(SnO2),二氧化锆(ZrO2)，硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体，其中二氧化钛因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。在早期，使用较多硫化镉(CdS)和氧化锌(ZnO)作为光触媒材料，但是由于这两者会在光催化的同时发生光溶解，溶出有害的金属离子具有一定的生物毒性，化学性质不稳定，故发达国家目前已经很少将它们用作为民用光催化材料，部分工业光催化领域还在使用。
二氧化钛是一种半导体，具有锐钛矿，金红石及板钛矿三种晶体结构。只有锐钛矿结构和金红石结构具有光催化特性。二氧化钛是氧化物半导体的一种，是世界上产量非常大的一种基础化工原料，普通的二氧化钛一般称为体相半导体以与纳米二氧化钛相区分。具有锐钛矿或者金红石结构的二氧化钛在具有一定能量的光子激发下[光子激发原理参考光触媒反应原理]
能使分子轨道中的电子离开价带跃迁至导带。（二氧化钛光催化原理参照课本P137）
3.影响光催化反应的关键因素
对于光催化原理, 目前人们普遍采用半导体能带理论来解释: 当入射光能量等于或高于半导体材料的禁带宽度时, 半导体材料的价带电子受激发跃迁至导带, 同时在价带上产生相应的空穴, 形成电子空穴对; 光生电子、空穴在内部电场作用下分离并迁移到材料表面, 进而在表面处发生氧化- 还原反应。光催化反应较为复杂, 受诸多因素制约, 这些影响因素可以大致归为两类: 一类是光催化材料本身的光生载流子激发、分离、输运行为; 另一类是制约光催化反应发生的多相界面作用行为。对于前者, 光生载流子激发要求光催化材料具有合适的能隙, 现有研究表明,掺杂、敏化、形成复合半导体以及能带设计等诸多手段均可使宽带隙半导体实现可见光激发。对于光生载流子分离, 担载合适的助催化剂和形成异质结可以有效地提高光生载流子的分离效率。
4.新型光催化材料开发
目前, 新型光催材料设计方法主要以量子化学计算方法为主。借助于理论
计算可以清晰地了解半导体光催化材料电子结构、能带信息以及光催化反应影响因素。利用这一方法已成功地研究了元素掺杂、取代对光催化材料性能影响的物
理机制, 并由此设计出一批新型光催化材料。最近几十年, 光催化材料种类得到了极大的丰富, 大致可以归为以下几类: 氧化物半导体、氮氧化物半导体、硫化
物半导体以及相应的固溶体光催化材料。
4.1氮化物与氮氧化物
在氮氧化物体系中, 由于N 与O 杂化所形成的2p轨道能级要高于O 的2p
轨道能级, 因而氮氧化物的价带电势比对应的氧化物的价带电势要高, 从而缩小了禁带宽度, 促使其对可见光具有吸收。氮氧化物光催化材料一般具有合适的导价带位臵, 因而在光催化分解水制氢和环境净化方面均具有巨大的应用潜力。
4.2硫化物
硫化物作为一类光催化材料具有合适的带隙和良好的光催化分解水产氢活性。5.存在问题及未来发展方向
目前高效光催化材料开发尚存在以下主要问题:（1.由于对光催化机理的认识尚不够深入, 使得新型光催。化材料的开发缺少理论指导, 具有盲目性; 光催化作用体系属于非匀相催化体系, 涉及多相表面、界面的作用行为, 然而, 目前对光催化体系的界面问题还未引起足够的重视; 由光合成过程可知, 其光生电
子分离是通过多步传导实现的, 其光生电子一经分离即不可能再次复合。在半导体材料光催化体系内实现光生电子- 空穴的有效分离是提高光量子效率的必经途径。
针对于上述难题, 为促进光催化技术实用化进程,需开展以下研究工作: 光催化技术实用化的载体是光催化材料, 所以开发具有高量子转换效率的光催化材
料是光催化领域的核心任务。系统总结现有研究成果, 以此指导具有高量子转换效率的新型光催化材料的开发;对于光催化材料开发来说, 利用现有的开发经验已经获得了十分丰富的光催化材料体系。然而这些材料均达不到实用化需求, 从整个光催化技术研究领域的发展来看, 目前, 迫切需要从光催化物理本质出发, 以先进的实验技术手段揭示影响光催化反应过程的关键因素所在。深化对于光催化反应机制的认识, 由宏观的、定性的描述到微观的、定量的研究, 对光吸收、电子空穴激发和输运过程以及界面动力学过程进行综合研究, 阐明能量传递和
转换的机制, 以指导如何高效地发挥现有光催化材料的催化活性和开发高量子
效率的光催化材料。
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TiO2光催化原理及应用 一.前言 在世界人口持续增加以及广泛工业化的过程中，饮用水源的污染问题日趋严重。根据世界卫生组织的估计，地球上22% 的居民日常生活中的饮用水不符合世界卫生组织建议的饮用水标准。长期摄入不干净饮用水将会对人的身体健康造成严重危害, 世界围每年大概有200 万人由于水传播疾病死亡。水中的污染物呈现出多样化的趋势，常见的污染物包括有毒重金属、自然毒素、药物、有机污染物等。常规的饮用水净化技术有氯气、臭氧和紫外线消毒以及过滤、吸附、静置等，但是这些方法对新生的污物往往不是非常有效，并且可能导致二次污染。包括我国在世界围广泛应用的氯气消毒法，可能在水中生成对人类健康有害的高氯酸盐。臭氧消毒是比较安全的消毒方法，但是所需设备昂贵；而紫外线消毒法需要能源支持，并且日常的维护都需要专业的技术人员；吸附法一般需要消耗大量的吸附剂，使用过的吸附剂一般需要额外的处理。这些缺点限制了它们的应用围，迫切需要发展一种高效、绿色、简单的净化水技术。 自然界中，植物、藻类和某些细菌能在太的照射下，利用光合色素将二氧化碳（或硫化氧）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）。这种光合作用是一系列复杂代反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。光化学反应的过程与植物的光合作用很相似。光化学反应一般可以分为直接光解和间接光解两类。直接光解为物质吸收能量达到激发态，吸收的能量使反应物的电子在轨道间的转移，当强度够大时，可造成化学键的断裂，产生其它物质。直接光解是光化学反应中最简单的形式，但这类反应产率一般较低。间接光解则为反应系统中某一物质吸收光能后，再诱使另一种物质发生化学反应。 半导体在光的照射下，能将光能转化为化学能，促使化合物的合成或使化合物(有机物、无机物)分解的过程称之为半导体光催化。半导体光催化是光化学反应的一个前沿研究领域，它能使许多通常情况下难以实现或不可能进行的反应在比较温和的条件下顺利进行。与传统技术相比，光催化技术具有两个最显著的特征：第一，光催化是低温深度反应技术。光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物等完全氧化二氧化碳和水等产物。第二，光催化可利用紫外光或太作为光源来活化光催化剂，驱动氧化－还原反应，达到净化目的，对净化受无机重金属离子污染的废水及回收贵金属亦有显著效果。 二.TiO2的性质及光催化原理 许多半导体材料(如TiO2，ZnO，Fe2O3，ZnS，CdS等)具有合适的能带结构可以作为光催化剂。但是，由于某些化合物本身具有一定的毒性，而且有的半导体在光照下不稳定，存在不同程度的光腐蚀现象。在众多半导体光催化材料中，TiO2以其化学性质稳定、氧化-还原性强、抗腐蚀、无毒及成本低而成为目前最为广泛使用的半导体光催化剂。 TiO2属于一种n型半导体材料，它有三种晶型——锐钛矿相、金红石相和板钛矿相，板
光催化剂的制备 目前，实验室制备和合成纳米TiO2光催化剂的方法很多，大致可以分为气相法，液相法和固相法。 1.2.2.1 气相法 气相法是利用气体或通过加热使钛盐变为蒸气，然后发生物理或化学变化，最后冷却-凝聚-长大形成纳米TiO2粒子的方法。采用气相法制备的纳米TiO2粒子纯度高，粒径分布窄，尺寸均匀，化学活性好，但是制备工艺复杂，成本高，产率低。常见的气相法包括氢氧火焰水解法、气相氧化法，气相水解法、气相分解法等。 1.2.2.2 液相法 液相法是生产各种氧化物颗粒的主要方法之一。它的基本原理是：将可溶性金属钛盐，按所制备材料的组成配制溶液，再用沉淀剂使金属离子均匀沉淀出来。与气相法相比，液相法制备纳米TiO2薄膜具有工艺简单、合成温度低、能耗少以及设备投资小的优点，是制备纳米TiO2粉体和薄膜较理想的方法，是目前实验室和工业上广泛采用的制备薄膜和超微粉的方法。主要包括溶胶-凝胶法，水热合成法、液相沉积法，水解法，微乳液法等。溶胶凝胶法一般是以有机或者无机钛盐为原料，在有机介质中（酸或有机聚合添加剂）进行水解、缩聚反应，最后将得到的溶胶干燥、煅烧得到TiO2纳米颗粒。整个反应过程如下： Ti(OR)4 + nH2 O →Ti(OR) (OH) + nROH水解反应4-n n 4-n n-1 2 2 2Ti(OR) (OH) →[Ti(OR) (OH) ] O + H O缩聚反应 Ti(OR) + 2H2O →TiO +4HOR总反应 与传统的纳米材料制备方法相比，溶胶-凝胶法制备的TiO2纳米颗粒具有纯度高，粒径分布窄，单分散性好，反应容易控制等优点，但是成本高，工艺时间长。 水热合成法是在密闭高压反应釜中加入前驱体溶液，高温高压条件下发生反应制备纳米级TiO2粉末的方法。该方法的优点在于制备的纳米TiO2粉体晶粒完整，原始粒径小，分布较均匀，但反应条件为高温、高压，因而对设备材质、安全要求较严格。 液相沉积法是利用水溶液中氟的金属配位离子和金属氧化物之间的化学平 衡反应，将金属氧化物沉积到反应液中的衬底上，最后煅烧得到纳米TiO2材料[8]。液相沉积法的优点是：工艺简单，不需要使用特殊的设备，成本较低；室温下就能制备大比表面积的TiO2膜；对衬底无选择，可以在各种形状各种材料的衬底上沉积；膜厚可控制。水解法是以无机钛盐为原料，在严格的条件下控制钛盐的水解速度，制得纳米TiO2粉末。水解法制备纳米TiO2具有以下特点：方法操作简单，成本低；通过控制不同条件可以直接得到其它方法需经高温下煅烧才能得到的金红石型二氧化钛。如果能克服洗涤干燥过程中粉末的流失和团聚，解决纳米二氧化钛的收率和粒径不理想的问题，那么水解法就是制备TiO2粉末最经济的方法。 微乳液法是指以不溶于水的有机溶剂为分散介质，以水溶液为分散相的分散 体系，由于表面活性剂（有时也添加助表面活性剂，如低级醇）的存在，该体系 是一种分散相分布均匀、透明、各向同性的热力学稳定体系。微乳液的液滴或称 “水池”是一种特殊的纳米空间，以此为反应器可以制备粒径得以控制的纳米微 粒。微乳液法具有操作简单、粒径大小可控、粒子分散性好、分布窄、易于实现 连续化生产操作，容易团聚等特点。
二氧化钛光催化抗菌材料的研究与应用 摘要：本文主要介绍了二氧化钛、TiO2光催化材料的基本结构、特点、抗菌机理、杀菌原理、以及提高其杀菌性能的方法。尤其是作为抗菌剂在各个领域中的应用。并对其在生活中的一些应用前景作了简要评述。 关键词：二氧化钛；抗菌材料；光催化；应用 1引言 随着社会的发展、科技的进步、文化水平的提高，人们的健康的意识也随之加强。大多疾病是由细菌、霉菌等作为病原菌侵入人类和动植物发生的一系列反应而引起的影响人们的健康甚至危及生命，微生物还会引起各种工业材料、食品、化妆品、医药品等分解、变质、劣化、腐败带来重大的经济损失，因此具有杀菌和抗菌效应的商品越来越受到人们的关注。一般来说抑制细菌增强和发育的性能称为抗菌，杀死细菌或接近无菌状态的性能称为杀菌，具有抗菌或杀菌功能的材料通称为抗菌材料。人工合成的抗菌材料可分为无机和有机两大类由于有机类抗菌材料存在抗菌性较弱耐热性、稳定性较差自身分解产物和挥发物可能对人体有害不适合用于高温加工等缺点限制了其使用并逐渐被无机类的抗菌材料所替代[1]。传统的无机类抗菌剂由银、铜、锌等金属离子担载于沸石、磷酸盐、易熔玻璃、硅胶、活性炭等载体组成。近年来以二氧化钛为代表的光催化材料得到了广泛的研究由于Ti02光催化抗菌材料作用效果持久并且二氧化钛本身价廉、无毒、化学稳定性好[2]，利用太阳光、荧光灯中含有的紫外光作激发源就可具有抗菌效应并且具有净化空气、污水处理、自清洁等光催化效应其抗菌过程简单描述为二氧化钛在大于禁带宽度能量的光激发下产生的空穴或电子对与环境中氧气及水发生作用产生的活性氧等自由基与细胞中的有机物分子发生化学反应进而分解细胞并达到抗菌目的[3]。此外这些活性氧基团不仅能迅速、彻底杀灭细菌还能降解内毒素等细胞裂解产物、其它有机物及化学污染物使之完全矿化具有其它抗菌材料不可比拟的优点[4]。在抗菌方面展示了广泛的应用前景已成为新一代的无机抗菌净化材料。本文对其抗菌机理和为拓展其使用范围、提高杀菌效果所开展的研究工作与进展以及存在的问题等进行了总结、分析与评述。 2 二氧化钛的基本结构 二氧化钛作为金属钛的一种氧化物，其分子式是TiO2。根据其晶型分类可分为金红石型，锐钛矿型及板钛矿型三种。其中锐钛矿型Ti02属于四方晶系,晶格参数α0 =37.85nm，C0 =95.14 nm。锐钛矿型TiO2的单元结构中钛原子处于钛氧八面体的中心位置，钛原子周围的六个氧原子都位于八面体的棱角处有四个共棱边也就是说锐钛矿
广州和风环境技术有限公司 https://www.doczj.com/doc/534631027.html,/ 光催化原理、应用及常见问题 更多有关废气处理核心技术，请百度：和风环境技术。接下来和风带领大家认识一下。 随着全球工业化进程的加速，环境污染问题日益严重，环境治理已受到世界各国的广泛重视，其中政府在环境治理方面投入了巨大的人力、物力和财力对环境净化材料和环境净化技术的研究和产业化提供支持，其中，光催化材料和光催化技术占有重要的地位。TiO2是一种常用的光催化材料，具有活性高、稳定性好，几乎可以无选择地将有机物进行氧化，不产生二次污染，对人体无害，价格便宜等诸多优点，成为最受重视和具有广阔应用前景的光催化材料。 光催化材料在紫外光或太阳光的作用下，激发价带上的电子（e-）跃迁到导带，在价带上产生相应的空穴（h+），光生空穴与光催化材料表面的水反应，生成羟基自由基，而光生电子与光催化剂表面的氧反应，生成超氧负离子。羟基自由基和超氧负离子具有较强的氧化还原电位，可将挥发性有机物氧化分解成无害的CO2和H2O，达到净化空气、分解挥发性有机物的目的。二氧化钛光催化材料在光照下能一直持续释放自由基，对挥发性有机物进行氧化分解，而自己不发生变化，具有长期活性。
广州和风环境技术有限公司 https://www.doczj.com/doc/534631027.html,/ 1、光催化反应原理 羟基自由基和超氧负离子是除氟之外，最强的氧化剂，但是氟对人体和环境有着巨大的危害，在很多场合不再使用。 2、常温催化材料 光催化材料是一种常温催化材料，可在室温及稍高温度下进行反应（通常低于65℃）。提高光催化材料性能的途径有三个：一个是降低纳米催化材料粒子的粒径，目的在于提高光催化材料的比表面积；二是通过金属掺杂、过渡金属掺杂和非金属离子掺杂改变半导体催化剂的性质来提高光催化性能；三是通过表面修饰和敏化，改变半导体催化剂的表面的形貌和结构，而引起表面性能的优化。 3、光催化材料应用中的影响因素 湿度的影响：光催化反应中，羟基自由基来源于水，所以必须保持有一定的湿度才能持续产生羟基自由基；在闭环的光催化反应中，已经证实随着水的不断消耗，光催化性能在不断的下降。 氧分量的影响：光催化反应中，超氧负离子来源于氧，所以在21%含量的
光催化原理 光催化的原理： （1）它是一种利用新型的复合纳米高科技功能材料的技术。 （2）它一种是低温深度反应技术，光催化剂纳米粒子在一定波长的光线照射下受激生成电子—空穴对，空穴分解催化剂表面吸附的水产生氢氧自由基，电子使其周围的氧还原成活性离子氧，从而具备极强的氧化—还原作用，将光催化剂表面的各种污染物摧毁。 （1）低温深度反应： 光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物完全氧化成无毒无害的物质。而传统的高温焚烧技术则需要在极高的温度下才可将污染物摧毁，即使用常
规的催化氧化方法亦需要几百度的高温。 （2）净化彻底： 它直接将空气中的有机污染物，完全氧化成无毒无害的物质，不留任何二次污染，目前广泛采用的活性炭吸附法不分解污染物，只是将污染源转移。 （3）绿色能源： 光催化可利用太阳光作为能源来活化光催化剂，驱动氧化—还原反应，而且光催化剂在反应过程中并不消耗。从能源角度而言，这一特征使光催化技术更具魅力。（4）氧化性强： 大量研究表明，半导体光催化具有氧化性强的特点，对臭氧难以氧化的某些有机物如三氯甲烷、四氯化炭、六氯苯、都能有效地加以分解，所以对难以降解的有机物具有特别意义，光催化的有效氧化剂是羟基自由基（HO），HO的氧化性高于常见的臭氧、双氧水、高锰酸钾、次氯酸等。 （5）广谱性： 光催化对从烃到羧酸的种类众多有机物都有效，美国环保署公布的九大类114 种污染物均被证实可通过光催化得到治理，即使对原子有机物如卤代烃、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂也有很好的去除效果，一般经过持续反应可达到完全净化。 （6）寿命长： 理论上，催化剂的寿命是无限长的。
光催化技术的简述 摘要：随着社会的发展，高楼大厦也越来越多，擦窗工也成了一项高危职业。然而光催化技术就能实现自我清洁。当一定波长的光照射到光催化剂上时，光催化剂的价带电子发生带间跃迁,从而产生光生电子和空穴。此时吸附在光催化剂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最终产物CO2和H2O,甚至对一些无机物也能彻底分解。 关键词：半导体、光催化技术、自我清洁 1.去除有机物的传统方式 催化燃烧是借助催化剂在低温下(200～400℃)下，实现对有机物的完全氧化。因此在有机废气特别是回收价值不大的有机废气净化方面应用较广。但催化燃烧法也有一定的缺点。催化燃烧装置的内部温度高，耗能大，并且有一定的危险。 化学氧化法也是传统去除有机物的一种应用很广的方法。其原理是就是用强氧化剂对目标物进行氧化，从而达到去除有机物的目的。这种方法反应温和容易控制，但是反应效率不高，并且强氧化剂价格昂贵，无法大量使用。 生物降解法是利用微生物降解代谢有机物为无机物来处理废水。通过人为的创造适于微生物生存和繁殖的环境，使之大量繁殖，以提高其氧化分解有机物的效率。其缺点是微生物对环境要求高，并且生物降解法往往不能直接去除有机物，必须经过其他工艺后，才能达到标准。 2.光催化技术简述 正是因为传统去除有机物的方式多多少少存在一些缺点，半导体光催化技术作为一种新型的环境治理技术，在有机物降解方面展示了广阔的应用前景。 2.1光催化剂 2.1.1导体、半导体和绝缘体 按固体能带理论,物质的核外电子有不同的能量。根据核外电子能级的不同，把它们的能级划分为三种能带：导带、禁带和价带。 在禁带里，是不允许有电子存在的。禁带把导带和价带分开，对于导体，它的大量电子处于导带，能自由移动。在电场作用下成为载流子。因此，导体载流子的浓度很大，能导电。 对绝缘体和半导体，它的电子大多数都处于价，。不能自由移动。但在热、光等外界因素的作用下，可以使少量价带中的电子越过禁带，跃迁到导带上去成为载流子。 绝缘体和半导体的区别主要是禁的宽度不同。半导体的禁带很窄，因此电子获得能量越迁到导带就相对容易，在外在电场的作用下可以形成电流。 而绝缘体的禁带宽，电子获得能力越迁到导带的难度就大。因此。绝缘体的载流子的浓度很小，不能够导电。实际绝缘体里，导带里的电子不是没有，并且总有一些电子会从价带跃迁到导带，但数量极少，所以在一般情况下可以忽略在
项目报告书
光催化材料的研究概况 摘要： 光催化降解污染物是近年来发展起来的一种节能、高效的绿色环保新技术．它在去除空气中有害物质,废水中有机污染物的光催化降解,废水中重金属污染物的降解，饮用水的深度的处理，除臭，杀菌防霉等方面都有重要作用，但是作为新功能材料，它也面临着很多局限性：催化效率不高，催化剂产量不高，有些催化剂中含有有害重金属离子可能存在污染现象。但是我们也应当看到他巨大的发展潜力和市场利用价值，作为处理环境污染的一种方式，它以零二次污染，能源消耗为零，自发进行无需监控等优势必将居于污染控制的鳌头。本文主要综述了光催化反应基本原理、新型光催化材料开发策略及研究进展。分析了提高光催化材料量子效率的关键所在及开展新型光催化材料研究工作的重要性，展望了该领域的未来发展方向。 关键词：光催化原理、光催化材料、研究与开发 正文：光催化的由来 早在1839年，Becquerel 就发现了光电现象，然而未能对其进行理论解释。直到1955年，Brattain和Gareet 才对光电现象进行了合理的解释，标志着光电化学的诞生。1972年，日本东京大学Fujishima和Honda研究发现，利用TiO2单晶进行光催化反应可使水分解成氢和氧。这一开创性的工作标志着光电现象应用于光催化分解水制氢研究的全面启动。在过去40年里，人们在光催化材料开发与应用方面的研究取得了丰硕的成果 光催化材料 光催化材料是指在光作用下可以诱发光氧化一还原反应的一类半导体材料。世界上能作为光催化材料的有很多，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，其中二氧化钛(Titanium Dioxide)因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。 例如光催化净化空气： 图表1 光催化涂料 光催化材料对净化空气具有以下功效： 具有光催化降解甲醛、苯、氨等有害气体的功效。 具有抗污、屏蔽紫外线功效。
广东科技报 1 月 12 日第 12 版讯（记者张俊通讯员陈臣）光触媒，一个让人心动的科技名词。光触媒是一种纳米级的金属氧化物材料（二氧化钛比较常用），它涂布于基材表面，在紫外光作用下，产生强烈光催化降解效果：能有效地降解空气中有毒有害气体、杀灭多种细菌，并同时具备除臭、抗污功能。在人们如此关注室内空气质量的今天，光触媒的强效抗菌除污能力被大部分涂料商作为竞争的法宝。光触媒涂料究竟为何如此神奇，本报记者为此专访了华南理工大学化学与化工学院光触媒相关专家。 “光触媒在光照条件下具有强劲的氧化能力，这种氧化能力可以 杀菌、除污、除异味，这是学术界早已公认的技术。”华南理工大学化学与化工学院宋慧宇博士介绍道，但是，光触媒在分解室内有害有机物的同时，也会对涂料本身产生分解作用。因此，光触媒在和一般涂料结合使用时施工程序比较繁琐和严格，一般先将普通涂料粉刷之后，然后涂一层阻隔物质层，再在表层涂上光触媒材料，避免光触媒分解涂料本身。所以，从光触媒技术本身来说，光触媒材料是不能搀和到涂料中去的，光触媒必须和涂料分开使用。 华南理工大学化学与化工学院副教授、光触媒研究专家肖新颜进一 步补充道，鉴于光触媒的特性，光触媒涂料较其他普通涂料在施工程序上更为复杂，必须由专业人员，按步骤将涂料、阻隔层、光触媒材料先后层层附着于墙上。但是即便如此，光触媒材料还是会渗透阻隔层对涂料产生分解作用，因此，涂有光触媒的墙体会根据涂料质量的好坏和施工是否严格而存在 3-5 年的使用寿命。“若使用光触媒粉
刷墙壁，墙体涂料表层经过一定时间后会自然褪去，因此需要重新粉刷。” 记者走访一些涂料综合卖场，主打光触媒的涂料并不多见。对此， 肖博士解释道，因为光触媒的粉刷工艺复杂和使用寿命等问题的存 在，含有光触媒的涂料会比一般涂料价格贵出 50%左右，因此，光触媒涂料在家居装修方面应用并不广泛。 “但不否认，国内一些新兴的涂料公司在光触媒技术上做得不错， 但光触媒整体市场缺少行业标准和质量认证。”因此，在选择光触媒材料进行室内装修时，专家建议，最好求助于相关专业人士，鉴别光触媒涂料的真假。 比起涂料行业，在空气净化器、洗衣机、空调、陶瓷制品等家庭 用品中，采用光触媒技术进行消毒、杀菌，则更多。另外，涂有光触 媒层的家庭用装饰小物品中，也能有效地发挥光触媒强力杀菌的效 果，达到净化居家空气的目的 . 光触媒是一种纳米级的金属氧化物材料（二氧化钛比较常用），它涂布于基材表面，干燥后形成薄膜，在光线的作用下，产生强烈催化降解功能：能有效地降解空气中有毒有害气体；能有效杀灭 多种细菌，抗菌率高达 99.99％，并能将细菌或真菌释放出的毒素 分解及无害化处理；同时还具备除臭、抗污等功能。 光触媒 [Photocatalyst] 是光 [Photo=Light]+触媒（催化剂）
光催化材料的研究与进展 洛阳理工学院吴华光B08010319 摘要： 光催化降解污染物是近年来发展起来的一种节能、高效的绿色环保新技术．它在去除空气中有害物质,废水中有机污染物的光催化降解,废水中重金属污染物的降解，饮用水的深度的处理，除臭，杀菌防霉等方面都有重要作用，但是作为新功能材料，它也面临着很多局限性：催化效率不高，催化剂产量不高，有些催化剂中含有有害重金属离子可能存在污染现象。但是我们也应当看到他巨大的发展潜力和市场利用价值，作为处理环境污染的一种方式，它以零二次污染，能源消耗为零，自发进行无需监控等优势必将居于污染控制的鳌头。本文介绍了一些关于光催化研究的制备与发展方向的思考，光催化正在以TiO 2 ，ZnO为主导多种非重金属离子掺杂，趋于多样化的制备方法方向发展。 关键字：光催化催化效率 正文： 光催化(Photocatalysis)是一种在催化剂存在下的光化学反应，是光化学与催化剂的有机结合，因此光和催化剂是光催化的必要条件。“光催化”定义为:通过催化剂对光的吸收而进行的催化反应(a catalytic reaction involving light absorption by a catalyst or a substrate)。氧化钛(TiO 2 )具有稳定的结构、优良的光催化性能及无毒等特点，是近年研究最多的光催化剂， 但是，TiO 2 具有大的禁带宽度，其值为3．2 eV，只能吸收波长A≤387 11111的紫外光，不能有效地利用太阳能，光催化或能量转换效率偏低，使它的应用受到限制。因此，研制新型光催化剂、提高光催化剂的催化活性仍是重要的研究课题]1[。复合掺杂不同半导体，利用不同半导体导带和价带能级的差异分离光生载流子，降低复合几率，提高量子效率，成为提高光催化材料性能的有效方法5]-[2。 与一元氧化物如TiO 2 和ZnO等光催化剂相比，复合氧化物光催化剂，如 ZnO- SnO 2TiO 2 -SnO 2 和WO3- TiO 2 等体系具有吸收波长更长和光催化效率更 高等特点因而成为研究热点. 一、常用的光催化剂的制备方法 （一）水热合成法。 热合成反应是在特制的密封容器中（能够产生一定的压力），以水溶液作为反应介质，通过对反应体系加热或接近其临界温度而产生高压，从而进行材料的合成与制备的一种有效方法。 （二）溶剂热合成法 溶剂热合成技术是在水热法的基础上，以有机溶剂代替水作为介质，采用类似水热合成的原理制备纳米材料，极大的扩展水热法的应用范围。 （三）溶胶-凝胶法
湘潭大学 《化工前沿技术》课程论文 题目：光催化的前世今生 学院：兴湘学院 专业：09化学工程与工艺 学号： 姓名：王争 完成日期：2012/6/5 光催化的前世今生 摘要 光催化涉及的领域非常宽，包括材料、能源、环境和生命起源等。目前，光催化研究内容大体分为：分解水或相关溶液制氢、太阳能电池、光伏器件、大规模污水处理、氮和碳的光化学固定、光催化环境净化材料、光催化反应化学等。本文简单介绍光催化的历史、光催化剂设计、制备以及应用。 关键词 光催化历史特性能源环境制备应用水处理废气处理杀菌光解水制气光催化涂料 一.光催化的历史 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了紫外灯照射，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。 光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术，在中国大陆我们会用光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。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。它几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不仅能加速反应，亦能运用自然界的定侓，不造成资源浪费与附加污染形成。最具代表性的例子为植物的"光合作用"，吸收对动物有毒之二氧化碳，利用光能转化为氧气及水。如此清洁而高效的催化作用当然是我们研究的主要对象，否则将是一笔不可估量的损失。由于资源环境等问题的严峻性，我们将由被动开始转变为主动研究这一领域。我们的研究领域主要集中在以下几个方面： （1）新型高效光催化剂，包括可见光光催化剂的研究与开发； （2）光催化技术在空气净化和污水处理等环保领域的应用研究； （3）光催化技术在军事领域的应用研究； （4）光催化技术在医疗方面的应用研究和技术开发； （5）光催化技术在高压输变电线路安全保障方面的应用研究； （6）光催化技术及其产品的工程化和产业化研究与设计。 到目前为止，我们已经取得了良好的成绩。 二.光催化的基本原理 半导体光催化剂大多是n型半导体材料（当前以为TiO2使用最广泛）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(ValenceBand,VB)和导带(ConductionBand,CB)之间存在一个禁带(ForbiddenBand,BandGap)。由于半导体的
湘潭大学 《化工前沿技术》课程论文题目：光催化的前世今生 学院：兴湘学院 专业： 09化学工程与工艺 学号： 2009964612 姓名：王争 完成日期： 2012/6/5
光催化的前世今生 摘要 光催化涉及的领域非常宽，包括材料、能源、环境和生命起源等。目前，光催化研究内容大体分为：分解水或相关溶液制氢、太阳能电池、光伏器件、大规模污水处理、氮和碳的光化学固定、光催化环境净化材料、光催化反应化学等。本文简单介绍光催化的历史、光催化剂设计、制备以及应用。 关键词 光催化历史特性能源环境制备应用水处理废气处理杀菌光解水制气光催化涂料 一.光催化的历史 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了紫外灯照射，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。 光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术，在中国大陆我们会用光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。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。它几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不仅能加速反应，亦能运用自然界的定侓，不造成资源浪费与附加污染形成。最具代表性的例子为植物的"光合作用"，吸收对动物有毒之二氧化碳，利用光能转化为氧气及水。如此清洁而高效的催化作用当然是我们研究的主要对象，否则将是一笔不可估量的损失。由于资源环境等问题的严峻性，我们将由被动开始转变为主动研究这一领域。我们的研究领域主要集中在以下几个方面： （1）新型高效光催化剂，包括可见光光催化剂的研究与开发； （2）光催化技术在空气净化和污水处理等环保领域的应用研究； （3）光催化技术在军事领域的应用研究； （4）光催化技术在医疗方面的应用研究和技术开发； （5）光催化技术在高压输变电线路安全保障方面的应用研究； （6）光催化技术及其产品的工程化和产业化研究与设计。
开 题 论文题目 学院 专业 年级 姓名 时间 指导老师 报告光催化原理及研究进展 一，研究目的、意义 进入21世纪以来，全球面临能源危机和环境污染的严峻挑战，急需新材料来解决这些问题。作为新材料的代表，光催化剂诞生于20世纪70年代，目前已应用于环境净化，自清洁材料，光解水制氢、太阳能电池，癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。光催化技术在常温、常压下就可以进行，能够彻底破坏有机或无机污染物，并使之完全、快速氧化为co2、h2o等无害物质，避免了二次污染，从而达到净化环境的目的。目前，在众多的半导体光催化剂中，tio2因其无毒、活性高和稳定等特点而被认为是比较理想的光催化剂之一。 二，国内外研究概况 1972年，日本东京大学fujishima和honda研究发现，利用tio 单晶进行光催化反应可使水分解成氢和氧。这一开创性的工作标志着光电现象应用于光催化分解水制氢研究的全面启动。 在过去30年里，人们在光催化材料开发与应用方面的研究取得了丰硕的成果。以tio 为例，揭示了其晶体结构、表面羟基自由基以及氧缺陷对量子效率的影响机制；采用元素掺杂、复合半导体以及光敏化等手段拓展其光催化活性至可见光响应范围；通过在其表面沉积贵金属纳米颗粒可以提高电子一空穴对的分离效率，提高其光催化活性。以tio 为载体的光催化技术已成功应用于废水处理、空气净化、自清洁表面、染料敏化太阳电池以及抗菌等多个领域。 尽管人们对光催化现象的认知与应用取得了长足的进步，然而受认知手段与认知水平的限制，目前对光催化作用机理的研究成果仍不足以指导光催化技术的大规模工业化应用，亟待大力开展光催化基本原理研究工作以促进这一领域的发展。另一方面，现有光催化材料的光响应范围窄，量子转换效率低，太阳能利用率低，依然是制约光催化材料应用的瓶颈。寻找和制备高量子效率光催化材料是实现光能转换的先决条件，也是光催化材料研究者所需要解决的首要任务之一。 目前新型光催化材料开发方法主要集中在以下两个方面：一是对紫外光响应型宽带隙光催化材料的改性使其获得可见光响应；另一方面是通过材料设计的方法设计和开发可见光响应
光催化材料研究进展 20 世纪以来, 人们在享受迅速发展的科技所带来的舒适和方便的同时, 也品尝着盲目和短视造成的生存环境不断恶化的苦果, 环境污染日趋严重。为了适应可持续发展的需要, 污染的控制和治理已成为一个亟待解决的问题。在各种环境污染中, 最普遍、最重要和影响最大的是化学污染。因而, 有效的控制和治理各种化学污染物是环境综合治理的重点, 开发化学污染物无害化的实用技术是环境保护的关键。目前使用的具有代表性的化学污染物处理方法主要有: 物理吸附法、化学氧化法、微生物处理法和高温焚烧法。这些方法对环境的保护和治理起重大作用, 但是这些技术不同程度的存在着或效率低, 不能彻底将污染物无害化, 产生二次污染, 或使用范围窄, 仅适合特定的污染物而不适合大规模推广应用等方面的缺陷[1]。光催化氧化技术是一门新兴的有广阔应用前景的技术, 特别适用于生化、物化等传统方法无法处理的难降解物质的处理。其中TiO2、ZnO、CdS、WO 3、Fe 2 O 3等半导体光催化技术因其可以直接利用光能而被许多研究者看好[2]。 1.1 TiO 2光催化概述 1.1.1 TiO 2的结构性质 二氧化钛是一种多晶型化合物,常见的n型半导体。由于构成原子排列方式不同,TIO2在自然界主要有三种结晶形态分布:锐钛矿型、
金红石型和板钛矿型。三种晶体结构的TIO2中,锐钛矿和金红石的工业用途较广。和锐钛矿相比,金红石的原子排列要致密得多,其相对密度、折射率以及介电常数也较大,具有很高的分散光射线的能力,同时具有很强的遮盖力和着色力,可用作重要的白色涂料。锐钛矿在可见光短波部分的反射率比金红石型高,普遍拥有良好的光催化活性,在光催化处理环境污染物方面有着极为广阔的应用前景[3]。 1.1.2TiO2光催化反应机理 半导休表面多相光催化的基本原理:用能量高于禁带宽度(Eg)的光照射半导体表面时,价带上的电子被激发,跃迁到异带上，同时在价带产生相应的空穴,这样就半导体内部生成电子(e-)—空穴（h+）随后,.电子-空穴对迁移到粒子表面不同位置、与吸附半导体表面的反应物发生相应的氧化或还原反应,同时激发态的二氧化钛重新回归到基态。与电荷分离相逆的是电子-空穴对的复合过程,这是半导体光催化剂失活的主要原因。电子-空穴对的复合将在半导体体内或表面发生,并释放热量。 1.1.3 TiO2催化剂的局限及改性途径 作为光催化剂,虽然二氧化钛具有其他催化剂难以比拟的无毒、价廉以及稳定等优点。但是目前二氧化钛光催化还存在着一些不足和局限,致使其不能再现实中得到大规模应用。究其原因,主要在于二氧化钛催化剂对太阳光的利用率不高并且其量子产率太低。锐钛矿相和金红石相二氧化铁的带隙分别为3.2eV和3.0 eV,对应的吸收阈值分别为420nm和380nm。它们所吸收的光的波长主要集中在紫外区,
光催化原理及应用 起源 光触媒，是一个外来词，起源于日本，由于日本文字写成“光触媒”，所以中国人就直接把她命名为“光触媒”。其实日文“光触媒”翻译成中文应该叫“光催化剂”翻译成英文叫“photo catalyst”。光触媒于1967年被当时还是东京大学研究生的藤岛昭教授发现。在一次试验中对放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分解成了氧和氢。这一效果作为“ 本多· 藤岛效果” （Honda-Fujishima Effect）而闻名于世，该名称组合了藤岛教授和当时他的指导教师----东京工艺大学校长本多健一的名字。 这种现象相当于将光能转变为化学能，以当时正值石油危机的背景，世人对寻找新能源的期待甚为殷切，因此这一技术作为从水中提取氢的划时代方法受到了瞩目，但由于很难在短时间内提取大量的氢气，所以利用于新能源的开发终究无法实现，因此在轰动一时后迅速降温。 1992年第一次二氧化钛光触媒国际研讨会在加拿大举行，日本的研究机构发表许多关于光触媒的新观念，并提出应用于氮氧化物净化的研究成果。因此二氧化钛相关的专利数目亦最多，其它触媒关连技术则涵盖触媒调配的制程、触媒构造、触媒担体、触媒固定法、触媒性能测试等。以此为契机，光触媒应用于抗菌、防污、空气净化等领域的相关研究急剧增加，从1971年至2000年6月总共有10,717件光触媒的相关专利提出申请。二氧化钛 TiO 2 光触媒的广泛应用，将为人们带来清洁的环境、健康的身体。 催化剂是加速化学反应的化学物质，其本身并不参加反应。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。 光触媒是一种纳米级的金属氧化物材料，它涂布于基材表面，在光线的作用下，产生强烈催化降解功能：能有效地降解空气中有毒有害气体；能有效杀灭多种细菌，并能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理；同时还具备除臭、抗污等功能。光催化是在光的辐照下使催化剂周围的氧气和水转化成极具活性的氧自由基，氧化力极强，几乎可以分解所有对人体或环境有害的有机物质总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。 早在1839 年, Becquere 就发现了光电现象, 然而未能对其进行理论解释。直到1955 年, Brattain 和Gareet才对光电现象进行了合理的解释, 标志着光电化学的诞生。1972 年, 日本东京大学Fu jishmi a和H onda研究发现[ 3] , 利用二氧化钛单晶进行光催化反应可使水分解成氢和氧。这一开创性的工作标志着光电现象应用于光催化分解水制氢研究的全面启动。在过去30 年里, 人们在光催化材料开发与应用方面的研究取得了丰硕的成果。 以二氧化钛为例, 揭示了其晶体结构、表面羟基自由基以及氧缺陷对量子效率的影响机制; 采用元素掺杂、复合半导体以及光敏化等手段拓展其光催化活性至可见光响应范围; 通过在其表面沉积贵金属纳米颗粒可以提高电子- 空穴对的分离效率, 提高其光催化活性。尽管人们对光催化现象的认知与应用取得了长足的进步, 然而受认知手段与认知水平的限制, 目前对光催化作用机理的研究成果仍不足以指导光催化技术的大规模工业化应用, 亟待大力开展光催化基本原理研究工作以促进这一领域的发展。另一方面, 现有光催化材料的光响应范围窄, 量子转换效率低, 太阳能利用率低, 依然是制约光催化材料应用的瓶颈。寻找和制备高量子效率光催化材料是实现光能转换的先决条件, 也是光催化材料研究者所需要解决的首要任务之一。 光催化机理： 半导体材料在紫外及可见光照射下，将光能转化为化学能，并促进有机物的合成与分解，这一过程称为光催化。当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时，电子从价带(VB)激发到导带(CB)形成光生载流子(电子-空穴对)。在缺乏合适的电子或空穴捕获剂时，吸收的光能因为载流子复合而以热的形
TiO2光催化氧化机理 TiO2属于一种n型半导体材料，它的禁带宽度为3.2ev（锐钛矿）,当它受到波长小于或等于387.5nm的光(紫外光)照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带，形成光生电子（e-）;而价带中则相应地形成光生空穴(h+)，如图1-1所示。 如果把分散在溶液中的每一颗TiO2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO2表面不同的位置。TiO2表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴h+则可氧化吸附于TiO2表面的有机物或先把吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成·OH自由基，·OH 自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染 物，将其矿化为无机小分子、CO 2和H 2 O等无害物质。 反应过程如下： 反应过程如下： TiO2+ hv → h+ +e- (3) h+ +e-→热能（4） h+ + OH- →·OH (5) h+ + H2O →·OH + H+(6) e- +O2→ O2- （7）O2 + H+ → HO2·(8) 2 H2O·→ O2 + H2O2(9) H2O2+ O2 →·OH + H+ + O2(10) ·OH + dye →···→ CO2 + H2O (11) H+ + dye→···→ CO2 + H2O (12) 由机理反应可知,TiO2光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。 Ti02光催化氧化的影响因素 1、试剂的制备方法 常用Ti02光催化剂制备方法有溶胶一凝胶法、沉淀法、水解法等。不同方法制得的Ti02粉末的粒径不同，其光催化效果也不同。同时在制备过程中有无复合，有无掺杂等对光降解也有影响。Ti02的制备方法在许多文献上都有详细的报道，这里就不再赘述。
光催化剂 摘要： 1.起源 光触媒，是一个外来词，起源于日本，由于日本文字写成“光触媒”，所以中国人就直接把她命名为“光触媒”。其实日文“光触媒”翻译成中文应该叫“光催化剂”翻译成英文叫“photo catalyst”。光触媒于1967年被当时还是东京大学研究生的藤岛昭教授发现。在一次试验中对放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分解成了氧和氢。这一效果作为“ 本多· 藤岛效果” （Honda-Fujishima Effect）而闻名于世，该名称组合了藤岛教授和当时他的指导教师----东京工艺大学校长本多健一的名字。 这种现象相当于将光能转变为化学能，以当时正值石油危机的背景，世人对寻找新能源的期待甚为殷切，因此这一技术作为从水中提取氢的划时代方法受到了瞩目，但由于很难在短时间内提取大量的氢气，所以利用于新能源的开发终究无法实现，因此在轰动一时后迅速降温。 1992年第一次二氧化钛光触媒国际研讨会在加拿大举行，日本的研究机构发表许多关于光触媒的新观念，并提出应用于氮氧化物净化的研究成果。因此二氧化钛相关的专利数目亦最多，其它触媒关连技术则涵盖触媒调配的制程、触媒构造、触媒担体、触媒固定法、触媒性能测试等。以此为契机，光触媒应用于抗菌、防污、空气净化等领域的相关研究急剧增加，从1971年至2000年6月总共有10,717件光触媒的相关专利提出申请。二氧化钛 TiO 2 光触媒的广泛应用，将为人们带来清洁的环境、健康的身体。 催化剂是加速化学反应的化学物质，其本身并不参加反应。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。 光触媒是一种纳米级的金属氧化物材料，它涂布于基材表面，在光线的作用下，产生强烈催化降解功能：能有效地降解空气中有毒有害气体；能有效杀灭多种细菌，并能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理；同时还具备除臭、抗污等功能。光催化是在光的辐照下使催化剂周围的氧气和水转化成极具活性的氧自由基，氧化力极强，几乎可以分解所有对人体或环境有害的有机物质总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。 早在1839 年, Becquere 就发现了光电现象, 然而未能对其进行理论解释。直到1955 年, Brattain 和Gareet才对光电现象进行了合理的解释, 标志着光电化学的诞生。1972 年, 日本东京大学Fu jishmi a和H onda研究发现[ 3] , 利用二氧化钛单晶进行光催化反应可使水分解成氢和氧。这一开创性的工作标志着光电现象应用于光催化分解水制氢研究的全面启动。在过去30 年里, 人们在光催化材料开发与应用方面的研究取得了丰硕的成果[ 4- 5] 。 以二氧化钛为例, 揭示了其晶体结构、表面羟基自由基以及氧缺陷对量子效率的影响机制; 采用元素掺杂、复合半导体以及光敏化等手段拓展其光催化活性至可见光响应范围; 通过在其表面沉积贵金属纳米颗粒可以提高电子- 空穴对
1、光催化原理是：半导体能带不是连续的，价带（VB）和导带（CB）之间存在一个禁带，当用能量等于或大于禁带宽度的光照射半导体时，其价带上的电子被激发，越过禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空穴，即电子-空穴对。TiO2表面上光生电子和空穴的复合是在小于10-9秒的时间内完成的，因此光生电子和空穴会在TiO2体内或表面重新合并，使光能以热能的形式发散。 TiO2 + hv →e- + h+ e- + h+→N +ene rgy 当存在合适的俘获剂或表面缺陷时，电子与空穴在TiO2表面重新复合受到抑制，就会在TiO2表面发生氧化还原反应。价带空穴是很强的氧化剂，不同的半导体在不同的pH值下空穴的电位为+1.0～+3.5V（相对于标准氢电极NHE）；而导带电子是良好的还原剂，电位是+0.5～-1.5V。大多数有机物的光催化降解都是直接或间接利用空穴的氧化能力，但是，为了防止电荷积累，必须有还原物质与电子作用。 一般，吸附在TiO2表面的O2可以通过捕获电子，形成超氧离子而阻止电子与空穴的复合 O2 +e- →O2- 超氧离子在溶液中通过一系列的反应形成H2O2： 2?OOH → H2O2 + O2 ?OOH + O2?- → O2 + H2O- H2O- + H+→ H2O2
由以下反应均可使产生羟基自由基： H2O2→ 2?OH H2O2 + O2?-→?OH + OH- + O2 H2O2 + e-→?OH + OH- 光生空穴的能量为7.5eV,有很强的得电子能力，使不吸收光的物质也被氧化。 对于不同的体系，空穴可以直接氧化或间接氧化有机污染物，甚至可能同时直接和间接氧化有机污染物。间接氧化时，光生空穴与TiO2表面吸附的H2O或OH-离子反应生成氧化能力极强的羟基自由基?OH（氧化电位为2.8eV），?OH对作用物几乎无选择性。 H2O＋h+ →?OH + H+ OH-＋h+→?OH 2、带隙：导带的最低点和价带的最高点的能量之差。也称能隙。带隙超过3ev的被认为是宽带隙半导体，例如GaN、SiN和ZnO，小于3ev的就是窄带隙。带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也就越低。 锐钛矿TiO2带隙较宽(3.23eV)，只能被波长小于387nm的紫外光所激发产生光催化活性。而紫外光的能量仅仅占太阳光的总能量的4％，这样使得太阳光的利用率很低。因此TiO2的应用受到严重的限制和发展。目前，研究者大多数是通过过渡金属元素或非金属元素掺杂，有机染料表面修饰，以及贵金属沉积等方法使TiO2在可见光区（可见光占太阳光的总能量的43％）实现光催化。其中掺杂是一种