北京時代科諾科技有限公司
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閱讀：16發(fā)布時間：2025-1-24
從1972年Fujishima發(fā)現(xiàn)TiO2光催化現(xiàn)象以來，以半導(dǎo)體光催化劑為代表的光催化氧化技術(shù)由于其直接利用太陽光驅(qū)動反應(yīng)、催化劑良好的穩(wěn)定性而成為一種具有應(yīng)用前景的環(huán)境污染治理技術(shù)，近年來在有機污染物降解、重金屬還原、產(chǎn)氫、太陽能電池以及有機物合成等領(lǐng)域取得了一系列成果，受到環(huán)境、材料、化學(xué)和能源領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。本文將分為以下5個方面，每個方面介紹2-3篇經(jīng)典綜述，希望能夠借此起到拋磚引玉的作用，帶領(lǐng)讀者走進光催化的世界。
一. 光催化技術(shù)在環(huán)境和能源領(lǐng)域的應(yīng)用
光催化裝置圖
光催化氧化技術(shù)在環(huán)境和能源領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，包括污水處理（光催化降解染料、抗生素、POPs、農(nóng)藥等各種有機污染物；光催化還原重金屬降低其毒性和生物有效性）、氣體凈化（降解NOx、SOx、VOCs等氣體有機污染物）、廣譜抗菌、光解水制氫、還原CO2以及合成有機物（利用合成氣CO和H2制備人造汽油）[1-2]。根據(jù)納米光催化劑的類型，可分為零維（0D）、一維（1D）、二維（2D）和三維（3D）納米材料；同時制備相同或不同維度納米材料復(fù)合結(jié)構(gòu)也是提高光催化活性的有效手段之一[3]。
二. 光催化過程中電荷轉(zhuǎn)移過程和機理
半導(dǎo)體光催化劑的能帶結(jié)構(gòu)由填滿電子的低能價帶和空的高能導(dǎo)帶構(gòu)成，價帶和導(dǎo)帶之間存在禁帶，當(dāng)能量大于等于禁帶寬度的光照射時，價帶上的電子激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，價帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴，空穴和電子在電場作用下分離并遷移到粒子表面，產(chǎn)生空穴-電子對；接受一定能量光照后的半導(dǎo)體光催化劑本身處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，為保持本身的穩(wěn)定性，處于激發(fā)態(tài)的半導(dǎo)體光催化劑將釋放外來能量，即能量弛豫。半導(dǎo)體光催化劑的能量弛豫過程主要包括四個途徑，分別是電子和空穴在光催化劑的體內(nèi)復(fù)合（即體相復(fù)合）、電子和空穴在光催化的表面復(fù)合（即表面復(fù)合）、遷移到光催化劑表面的電子與表面吸附的電子受體反應(yīng)（即還原過程）、遷移到光催化劑表面的空穴與表面吸附的電子給體反應(yīng)（即氧化過程）[4]。其中體相復(fù)合和表面復(fù)合不利于光催化反應(yīng)，還原過程和氧化過程有利于光催化反應(yīng)。
三. 光催化劑改性
光催化劑改性方式（以TiO2為例）
盡管光催化氧化技術(shù)在環(huán)境和能源領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，但是目前光催化技術(shù)仍存在一些局限性，主要是半導(dǎo)體光催化劑的禁帶寬度較寬，如金紅石TiO2禁帶寬度為3.0 eV，銳鈦礦TiO2禁帶寬度為3.2 eV，光催化反應(yīng)缺乏對可見光的響應(yīng)，另一方面光催化過程中空穴-電子對復(fù)合率高，量子效率低，限制了光催化技術(shù)的應(yīng)用[5]。為提高半導(dǎo)體光催化劑的活性，學(xué)者對光催化劑進行改性研究，包括金屬/非金屬摻雜、貴金屬表面沉積、染料光敏化、半導(dǎo)體復(fù)合等[6]。
四. 異質(zhì)結(jié)光催化劑
異質(zhì)結(jié)光催化機理
除了對光催化劑改性之外，不同禁帶寬度和類型的半導(dǎo)體光催化劑相互復(fù)合構(gòu)建異質(zhì)結(jié)也是提高光催化活性的手段。Vincent G. Gomes等人詳細綜述了TiO2分別和導(dǎo)電聚合物、碳材料構(gòu)建新型異質(zhì)結(jié)光催化劑，包括TiO2/PoPD（聚鄰苯二胺）、TiO2/PANI（聚苯胺）、TiO2/PTh（聚噻吩）、TiO2/PPY（聚吡咯）、TiO2/CNTs（碳納米管）、TiO2/GO（氧化石墨烯）、TiO2/g-C3N4（石墨相碳化氮）等[7]。Yu Jiaguo和Mietek Jaroniec等人在2014年對全固態(tài)Z-體系光催化異質(zhì)結(jié)進行了綜述，構(gòu)建了PS-PS和PS-C-PS體系，為全固態(tài)Z-體系異質(zhì)結(jié)光催化劑的設(shè)計、構(gòu)建和應(yīng)用指明了方向[8]。
五. 新型光催化劑
石墨烯在光催化體系中的重要作用
隨著光催化技術(shù)研究的深入，越來越多新型光催化劑進入研究者的視野，新型光催化劑包括利用新方法和手段制備傳統(tǒng)金屬氧化物半導(dǎo)體，以及在光催化體系中引入新材料。Kazuya Nakata等人在2012年的綜述中對經(jīng)典光催化劑TiO2的新型制備方法進行了總結(jié)，包括靜電紡絲技術(shù)制備TiO2纖維和陽極處理TiO2納米管，為傳統(tǒng)半導(dǎo)體光催化劑的發(fā)展和未來提出了一種新思路[9]。另一方面，Yu Jiaguo等人對目前的明星材料“石墨烯”在光催化上的應(yīng)用進行了綜述，文章對石墨烯基納米材料的制備、異質(zhì)結(jié)設(shè)計和構(gòu)建、石墨烯提高光催化活性機理等內(nèi)容進行了闡述，對于指導(dǎo)和調(diào)控石墨烯用于光催化領(lǐng)域的研究十分重要和必要[10]。
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