文 献 综 述
一、光催化研究背景
随着现代科技的飞速发展，人们的生活也愈发的舒适、便捷。但这飞速发展的背后，是不可再生化石燃料的消耗，同时大量的废水、废气、废渣的排放也导致了环境的污染。因此，全球性的能源短缺与环境污染问题已然成为大众关注的重点。而如何有效地控制和解决这些问题也成为众多科研工作者们致力去研究的方向。寻找清洁的新能源是当前十分有效的方案。太阳能于人类而言，是取之不尽、用之不竭的理想清洁能源。光催化技术的出现，为高效地转化、储存和利用太阳能带来了曙光。
光催化技术是利用太阳能分解水制氢气，将低密度的太阳能转化为高密度清洁的氢能；同时也可以利用太阳能产生具有高反应活性的自由基和空穴来降解矿化环境中各类污染物的新兴技术。[1]它具有低能耗、反应条件温和，无二次污染，操作简单等特点。所以，光催化技术，被认为是应用前景广阔，潜力巨大的新技术。
1972年，日本学者Honda和Fujishima[2]发现二氧化钛在紫外线照射下能够分解水产生氢气和氧气。自此，光催化技术迅速受到广泛关注。随后Carey[3]等人对关于联苯在TiO2的降解进行了研究，这对光催化技术的发展起到了极大的推动作用，并很快应用于环境治理的研究。Frank[4]等通过光催化分解各种有机化合物，并指出通过TiO2光催化的方法进行水体净化。TiO2光催化技术对有机污染物降解方面的应用更是取得了突飞猛进的进步。再后来，其他的半导体如ZnO、CdS、Fe2O3等也被应用到光催化反应中。如今，已有众多基于光催化技术的产品走进人们的生活，例如饮用水净化装置、室内空气净化器等。
近些年来，光催化技术已经广泛应用于能源、军事、环保、医疗、建筑、汽车、服装等行业领域，产生了极大的社会影响和经济效益。2002年，欧洲与日本的光催化市场规模综合就已经达到300-400亿日元，而在2005年底全球光催化市场规模已突破千亿美元大关。就国内市场而言，在环境保护的基本国策指引下，大力研究发展光催化技术有着重大的社会经济价值和战略价值。[5]
- 光催化机理
光催化技术研究的领域是光化学与催化化学的交叉领域。光化学是化学的一个分支，涉及物质在光的照射下所引发的物理变化和化学变化。2007年，国际纯粹和应用化学在“光化学术语大典”中给出了光催化的定义:”Change in the rate of a chemical reaction or its initiation under the action of ultraviolet, visible, or infrared radiation in the chemical transformation of the reaction partners” ——光催化剂在紫外光、可见光或红外光的照射下，吸收光子能量后改变反应物的化学反应或初始反应速率，并引起反应物的化学变化。由此可见，光催化反应必须包含的三个要素：光催化剂、光的吸收以及由前两者引发的化学变化。
光催化技术中最核心的部分就是光催化剂，而现今的光催化剂主要是由半导体组成，因此我们通常所说的光催化剂就是指半导体光催化剂。
光催化剂的反应机理：在光的照射下，当半导体光催化剂吸收的光子能量大于其带隙宽度能量时，价带上的电子受到光子的激发向导带跃迁，穿过禁带，在导带上产生光生电子，而相应在价带上产生光生空穴。因此，在半导体光催化剂上产生了光生电子-空穴对，即光生载流子，这是光催化的初始阶段。催化剂导带上的光生电子具有还原性，能够还原吸附在催化剂表面上的物质。而价带上产生的光生空穴具有很强的氧化性，能够氧化吸附在催化剂表面的反应物或溶剂小分子。为了保证光催化氧化还原反应能够进行，就必须保证光催化剂能够生成光生载流子，并且保证光生载流子能够迁移到催化剂表面与反应物发生反应。[6]
目前报道的半导体光催化剂种类很多,如:金属氧化物（如TiO2、Cu2O[7]等）、金属硫化物（如CuS[8]等）、金属磷酸盐（如Ni2P[9]等）、金属氮化物（如Ge3N4[10]等），非金属催化剂（如氧化石墨烯、C3N4[11]）以及其他的光催化剂（如BiOCl、BiOBr、BiOI[12]等）。
