關(guān)于光催化研究的意義和方向,，我們?nèi)栽谔剿?/h1>

時間：2022-9-7 閱讀：6062

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光催化是光化學(xué)和催化科學(xué)的交叉點，一般是指在催化劑參與下的光化學(xué)反應(yīng),。半導(dǎo)體材料之所以具有光催化特性,，是由它的能帶結(jié)構(gòu)所決定。半導(dǎo)體的晶粒內(nèi)含有能帶結(jié)構(gòu),，其能帶結(jié)構(gòu)通常由一個充滿電子的低能價帶（valent-band,，VB）和一個空的高能導(dǎo)帶（conduction band，CB）構(gòu)成,，價帶和導(dǎo)帶之間由禁帶分開,，該區(qū)域的大小稱為禁帶寬度,，其能差為帶隙能,，半導(dǎo)體的帶隙能一般為0. 2 ~3. 0 eV。當(dāng)用能量等于或大于帶隙能的光照射催化劑時,，價帶上的電子被激發(fā),，越過禁帶進入導(dǎo)帶，同時在價帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴,，即生成電子/空穴對,。由于半導(dǎo)體能帶的不連續(xù)性，電子和空穴的壽命較長,，在電場作用下或通過擴散的方式運動,，與吸附在催化劑粒子表面上的物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，或者被表面晶格缺陷俘獲,?？昭ê碗娮釉诖呋瘎﹥?nèi)部或表面也可能直接復(fù)合。因此半導(dǎo)體光催化關(guān)鍵步驟是：催化劑的光激發(fā)，光生電子和空穴的遷移和俘獲,，光生電子和空穴與吸附之間表面電荷遷移以及電子和空穴的體內(nèi)或表面復(fù)合,。光催化反應(yīng)的量子效率低是其難以實用化為關(guān)鍵的因素。光催化反應(yīng)的量子效率取決于電子和空穴的復(fù)合幾率,，而電子和空穴的復(fù)合過程則主要取決于兩個因素：電子和空穴在催化劑表面的俘獲過程,；表面電荷的遷移過程。

 

早期光化學(xué)家認(rèn)為光是一種特殊的,、能夠產(chǎn)生某些反應(yīng)的試劑,。早在1843 年Draper發(fā)現(xiàn)氫與氯在氣相中可發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。1908年Ciamician利用地中海地區(qū)的強烈的陽光進行各種化合物光化學(xué)反應(yīng)的研究,，只是當(dāng)時對反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)還不能鑒定,。到60年代上半葉，已經(jīng)有的有機光化學(xué)反應(yīng)被發(fā)現(xiàn),。60 年代后期,隨著量子化學(xué)在有機化學(xué)中的應(yīng)用和物理測試手段的突破（主要是激光技術(shù)與電子技術(shù)）,，光化學(xué)開始飛速發(fā)展。現(xiàn)在,，光化學(xué)被理解為分子吸收大約200至700納米范圍內(nèi)的光,，使分子到達(dá)電子激發(fā)態(tài)的化學(xué)。由于光是電磁輻射,，光化學(xué)研究的是物質(zhì)與光相互作用引起的變化,，因此光化學(xué)是化學(xué)和物理學(xué)的交叉學(xué)科。

 

相應(yīng)于熱化學(xué),，光催化有機合成反應(yīng)的特點如下：

1）光是一種非常特殊的生態(tài)學(xué)上清潔的“試劑",；

2）光化學(xué)反應(yīng)條件一般比熱化學(xué)要溫和；

3）光化學(xué)反應(yīng)能提供安全的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境,，因為反應(yīng)基本上在室溫或低于室溫下進行,；

4）有機化合物在進行光化學(xué)反應(yīng)時,不需要進行基團保護；

5）在常規(guī)合成中,，可通過插入一步光化學(xué)反應(yīng)大大縮短合成路線,。 因此，光化學(xué)在合成化學(xué)中,，特別是在天然產(chǎn)物,、醫(yī)藥、香料等精細(xì)有機合成中具有特別重要的意義,。

 

光催化的研究方向：

1）水污染治理

隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化的不斷發(fā)展,，環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，水污染是其中重中之重,。相比傳統(tǒng)水污染治理方法,，光催化法綠色環(huán)保,、無二次污染。除了常見的各種染料,，如亞甲基藍(lán) (MB),、羅丹明 B (RhB)、甲基橙 (MO) 等,，其他無色的污染物,，比如苯酚、雙酚 A(BPA),，或者各種抗生素農(nóng)藥等都可以降解掉,。此外，光催化還可以將水體中的有毒重金屬離子,，如 Cr6+,、Pt4+、Au3+ 等還原為低價離子,，減弱其毒性,。

 

2）水分解

傳統(tǒng)的化石能源儲量有限，且燃燒后會造成溫室效應(yīng)和環(huán)境污染,，如何制造清潔可再生能源是研究熱點,。利用光催化將水分解為 H2 和 O2，用氫能源取代化石能源,，生態(tài)環(huán)保,、成本低。但目前產(chǎn)氫效率還比較低,，距離實際工業(yè)化應(yīng)用還有很長的路要走,。

 

3）CO2 還原

隨著大氣中 CO2 濃度不斷增加，溫室效應(yīng)越發(fā)明顯,，*端氣候頻發(fā),，如何降低大氣中 CO2 含量是函待解決的重大問題。利用光催化技術(shù),，將 CO2 還原為甲烷,、甲醇,、甲酸等有機化合物,，具有很高的應(yīng)用價值。

 

4）空氣凈化

空氣中含有的污染物主要有氮氧化物 (NO2,，NO 等),，硫氧化物(SO2，SO3 等),，各種揮發(fā)性有機化合物(甲苯,、苯,、二甲苯、*醛,、乙醛等),。目前處理空氣污染常見方法為物理吸附或者借助貴金屬降解，物理吸附適用面廣,，但只適合于濃度較高污染物,；貴金屬降解成本高，且條件苛刻,，耗能高,，效率低，只適用于有經(jīng)濟條件的工廠,。光催化作為一種新型的綠色環(huán)保技術(shù),，成本低，適用面廣,，顯示出廣闊應(yīng)用前景,。

 

5）抗菌

抗菌材料分為有機和無機兩類，而有機材料抗菌性弱,、耐熱性差,、穩(wěn)定性較差等特點限制了其使用，并逐漸被無機抗菌材料取代,，而負(fù)載有銀,、銅等金屬離子的無機殺菌劑能使細(xì)胞失去活性，但細(xì)菌被殺死后,，可釋放出致熱和有毒的組分,，如內(nèi)毒素。而 TiO2 等光催化劑不僅能殺死細(xì)菌,，還能*降解有毒組分,。

 

6）有機合成

傳統(tǒng)有機合成經(jīng)常使用到有害有毒或者危險試劑，且一些反應(yīng)條件苛刻,，而光催化有機合成反應(yīng)條件溫和,，具備高選擇性，簡單環(huán)保,，成為有機合成研究熱點,。目前，光催化在有機合成中的應(yīng)用有：

(1)醇,，胺,，烯烴和烷烴的氧化或芳香族化合物羥基化反應(yīng)；

(2)用親核試劑活化,、官能化 α-C-H 鍵以構(gòu)建新的 C-C 或 C-X(X = O,，N 或 S)鍵,；

(3)將硝基苯還原成氨基苯或偶氮苯等等。

 

當(dāng)然光催化的研究方向絕不止上面提到的這些,，比如自清潔,、太陽能電池等等?？偠灾?，光催化是一個充滿朝氣與挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，其中一些技術(shù)能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的話,，將對人類生活帶來莫大的改善,。
 

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