神奇的光触媒（二）

催化剂可以在自身不消耗的情况下加速化学反应和/或提高反应的选择性。与非催化相较，催化反应通过优化反应路线，能更有效地利用反应物和控制副反应的生成，催化剂已被广泛应用于能源生产、转换或存储以及环境保护、合成新药等催化反应中 。1972 年，日本学者 Fujishima 和 Honda 发现，TiO2 单晶在光的照射下能将水分解成氧气和氢气。自此以来，半导体光催化剂引起了学界的广泛关注，高效半导体光催化剂的研制取得了长足的进步，并被广泛应用于太阳能电池、环境保护等方面。其中，TiO2 因其具有廉价高效、环境友好、耐化学和光化学腐蚀等优点，一直以来均是半导体光催化领域的重点研究对象。上面这段话是不是不那么容易理解，没关系，在进入神奇的光触媒世界之前，为了便于大家理解，我们先科普几个概念。

催化剂：

催化剂又称为触媒，可以在自身不消耗的情况下加速化学反应和/或提高反应的选择性，应用于环境科学中具有无损耗、持久有效等特点。

光触媒

光触媒是一种以具有光催化功能的半导体材料，即在有光环境下它是一种催化剂，但在无光环境下，将失去催化能力。它能在光照射下产生强氧化性的物质（如羟基自由基、氧气等），并且可用于分解有机化合物（甲醛、苯、TVO等、部分无机化合物、细菌及病毒等，同样具有无损耗、持久有效等特点。

光电子空穴对

提到将光触媒的催化原理，不得不涉及半导体的能带理论，但它枯燥、乏味又难懂，在这笔者只能去尽量做简单的解释。半导体光催化剂的能带不连续，在价带（VB）和导带（CB）之间存在禁带。当入射的光子能量匹配或超过半导体的带隙能量（Eg）时，处于价带中的电子被激发到导带上，从而在导带产生高活性电子(e-), 价带上则生成带正电荷的空穴( h+)。

或许这个概念不好理解，但简单来讲，光触媒需要起作用，必须生成光电子-空穴对，这就有赖于你给什么样的光去激发它。并不是所有的光都能使其生成光电子空穴对，如果吸收光的频率不够（光的波长越短，频率越高），就无法让光电子突破禁带，从而放飞自我。

光催化原理

光触媒产生的光生电子(e-)与氧气结合生成O2-，空穴夺取OH-的自由电子结合生成HO·（氢氧根自由基），这些性质活泼的产物可降解空气中的大部分挥发性污染物，并灭杀病菌。

光触媒等于二氧化钛？

那么，光触媒可以和二氧化钛（TiO2）划等号吗？答案是不可以，他们集合和子集的关系，简单来说，光触媒包括二氧化钛，但不仅仅是二氧化钛，只不过二氧化钛是其中的典型代表而已。常用的光触媒材料主要为N型半导体材料，具有禁带宽度低等特点，包括TiO2 、 ZrO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、ZnS、SrTiO3、SiO2和一些纳米贵金属铂、铑、钯等，但由于其中大多数易发生化学或光化学腐蚀，或者成本过高，都不适于日常应用。常用的光触媒半导体材料为二氧化钛。

光催化剂g-C3N4制备工艺流程图

二氧化钛都能用作光催化材料？

当然，这个答案也是否定的。二氧化钛在自然界中是一种白色固态氧化物，俗称钛白粉。二氧化钛具有无毒、不透明性好、光亮度极佳和粘附力强的特性，工业中被广泛用作无机颜料。二氧化钛作为n型半导体，由于其原子排列不同，主要有锐钛型、金红石型和板钛型三种结晶形态。由于晶体结构不同，锐钛矿、金红石和板钛矿有不同物理化学性质。

板钛型的结晶形态属于斜方晶系八面体结构，是一种亚稳相，其格结构并不稳定，在高温中容易转化为金红石。因此，板钛型研究价值很小。锐钛型和金红石型都属于四方晶系。相比于锐钛型，金红石型原子排列更紧凑，折射率更高，因此呈现更高的分散光线能力。因此，在工业生产中金红石型是非常重要的白色涂料之一。锐钛型光催化活性相比前两种晶体材料会更好，在光催化降解以及制氢等领域有广阔的应用前景。

光触媒有哪些材料特性？

1. 环保无毒：光触媒代表物质是TiO2，其化学稳定性高，且经美国食品药物管理局（FDA）认可为安全物质，对人体并无伤害，在食品、日常生活用品、化妆品、医药、养殖业中普遍采用。

2. 消毒杀菌性：光触媒吸收自然光后具有强吸收电子的能力，即强氧化性，能有效催化分解有害有机、无机物质，也能消除细菌和病毒。例如，光触媒能将室内有害挥发性有机物甲醛、二氯苯、甲苯、二甲苯、TVOC等降解为无毒无害的小分子水和CO2。 同时，也可以将细菌真菌释放出的毒素分解及无害化处理。

3. 永久性：光触媒原液具有速干性的特性，涂于基材表面后即能速干并变成非水溶性物质，10天内便可达到相当于铅笔4H的硬度。在环境污染不严重的条件下，只要不磨损、不剥落，光触媒本身不会发生变化和损耗。在光的照射下可以持续不断的净化污染物，具有时间持久、持续作用的优点。

4. 自净性：经光触媒加工的表面，通过紫外线的照射后受到激发，可以把接触的有机物分解掉，不仅起到杀菌作用，还能将有害物质分解为无害小分子物质。同时由于光照条件下表现出的超亲水特性，当灰尘落于光触媒涂层上时，只需以清水清洗便达到洁净表面的目的。

光触媒这么牛叉，就没有缺点吗？

光触媒当然也有其使用局限性，主要体现在以下几方面：

1. 无光不分解

所谓的光触媒，顾名思义，一定要有光的参与，才能令其发生作用，所以其使用场景也会相对首先，对于无光和暗光环境，其效果将会大打折扣。

2. 光电子空穴对容易复合

在催化反应中光电子空穴对起到非常重要的作用，污染物降解、光催化消毒等都源于光电子空穴对的生成。然而光生电子和空穴的激发态是不稳定的，可以很容易地重新复合。光激发产生的光生载流子的复合率高，是导致量子效率低下的主要原因之一。通常情况下，二氧化钛的量子产率低（4%），最高不超过10%，因此大大限制了其使用的效能。

3. 光能利用率低

当前, TiO2光触媒对太阳光能量利用率低，只能吸收太阳光中的紫外线，而太阳光中紫外线仅占5-7%，因此,其使用场景受限较大，通常还需要高压汞灯、紫光灯、紫外线灯等照明手段辅助，其能耗高且操作不方便。

4. 材料的团聚现象

纳米TiO2光触媒存在难在均相体系中分散（如水溶液中），易团聚、易失活的特点。另外，目前的光触媒负载技术很难既保持TiO2较高的光催化活性,同时又能均匀牢固地固着在载体表面且不损害负载材料的理化性能。那么，如何针对上述缺陷去优化光触媒的材料特性呢？各国学者大咖做了很多的努力和尝试，由于篇幅所限，我们下期再详细讲，欢迎关注我们，分享更多室内空气污染防治干货……