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光電催化現(xiàn)象和光電催化發(fā)展史
發(fā)布時(shí)間：2018-11-12 瀏覽量：19437
光電催化的歷史
光電催化技術(shù)是通過(guò)催化劑利用光子能量，將許多需要苛刻條件下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為在溫和的環(huán)境下進(jìn)行反應(yīng)的先進(jìn)技術(shù)。它作為一門(mén)年輕的學(xué)科，涉及半導(dǎo)體物理、光電化學(xué)、催化化學(xué)、材料科學(xué)、納米技術(shù)等諸多領(lǐng)域，在能源、環(huán)境、健康等人類(lèi)面臨的重大問(wèn)題方面均有應(yīng)用前景，一直是前沿科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
光電催化現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)
早在上世紀(jì)30年代，發(fā)現(xiàn)在氧氣存在以及在紫外光輻照的情況下，TiO2對(duì)染料具有漂白作用以及對(duì)纖維具有降解作用的現(xiàn)象，并且證實(shí)反應(yīng)前后TiO2保持穩(wěn)定。但是由于當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體理論和分析技術(shù)的局限性，這種現(xiàn)象被簡(jiǎn)單的歸因?yàn)槭亲贤夤庹T促使氧氣在TiO2表面上產(chǎn)生了高活性的氧物種所致。而且由于當(dāng)時(shí)社會(huì)對(duì)能源和環(huán)境問(wèn)題的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)沒(méi)有今天深入，因而這種現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有引起人們足夠的重視。
能源危機(jī)帶來(lái)的發(fā)展機(jī)遇
七十年代初期，正值高速發(fā)展的西方社會(huì)遭遇有史以來(lái)最嚴(yán)重的石油危機(jī)，嚴(yán)重制約了其經(jīng)濟(jì)發(fā)展。氫能作為一種可替代石油的未來(lái)清潔能源，開(kāi)始受到世界各國(guó)政府和科學(xué)家的關(guān)注。1972年，F(xiàn)ujishima和Honda在Nature雜志上發(fā)表了在近紫外光照射下，TiO2電極分解水產(chǎn)生氫氣的論文。其文中提出的利用太陽(yáng)光催化分解H2O制H2被認(rèn)為是最佳制氫途徑之一（見(jiàn)圖1）。這種將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的方法迅速成為極富吸引力的研究方向，各發(fā)達(dá)國(guó)家和一批知名科學(xué)家均投入這一領(lǐng)域的研究。
圖1 光電催化制氫的循環(huán)利用途徑
光催化劑和光電催化反應(yīng)
光電催化劑是指在光的輻照下，自身不起變化，卻可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。促進(jìn)化合物的合成或使化合物降解的過(guò)程稱(chēng)之為光催化反應(yīng)。光催化反應(yīng)利用光能轉(zhuǎn)換成為化學(xué)反應(yīng)所需的能量，來(lái)產(chǎn)生催化作用（見(jiàn)圖2）。它在自然界中最具代表性的例子為植物的“光合作用”。
圖2 光電催化反應(yīng)和光合作用示意圖
光電催化劑中目前研究和應(yīng)用最廣泛的是半導(dǎo)體光催化劑，其代表是TiO2。半導(dǎo)體在光激發(fā)下，電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶位置，在導(dǎo)帶形成光生電子，在價(jià)帶形成光生空穴。利用光生電子-空穴對(duì)的還原和氧化性能，可以光解水制備H2和O2，還原二氧化碳形成有機(jī)物，還可以使氧氣或水分子激發(fā)成超氧自由基及羥基自由基等具有強(qiáng)氧化力的自由基，降解環(huán)境中的有機(jī)污染物，不會(huì)造成資源浪費(fèi)與形成二次污染。
光電催化的發(fā)展趨勢(shì)
光電催化技術(shù)是近年來(lái)國(guó)際上最活躍的研究領(lǐng)域之一，但是目前主要以TiO2半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的光催化技術(shù)還存在著如量子產(chǎn)率低、太陽(yáng)能利用率低及回收困難等幾個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)難題，使其在工業(yè)上廣泛應(yīng)用受到極大制約。以上問(wèn)題的根本解決有賴(lài)于基礎(chǔ)研究的深入，如提高光催化反應(yīng)的活性，提高光量子產(chǎn)率，拓展光吸收波長(zhǎng)等。盡管目前看來(lái)，光催化技術(shù)離大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用還有一段距離，但是其所顯示的巨大潛在優(yōu)異性能是不容忽視的。因此，在不久的將來(lái)，伴隨著這些關(guān)鍵問(wèn)題的突破，納米光催化材料的實(shí)際應(yīng)用必將得到實(shí)現(xiàn)，并改善我們的生存環(huán)境，給我們的日常生活帶來(lái)更多的便利。
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