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光电催化现象和光电催化发展史

发布时间:2018-11-12 16:40:07

光电催化的历史

  光电催化技术是通过催化剂利用光子能量,将许多需要苛刻条件下发生的化学反应转化为在温和的环境下进行反应的先进技术。它作为一门年轻的学科,涉及半导体物理、光电化学、催化化学、材料科学、纳米技术等诸多领域,在能源、环境、健康等人类面临的重大问题方面均有应用前景,一直是前沿科学技术领域的研究热点之一。
 

光电催化现象的发现

  早在上世纪30年代,发现在氧气存在以及在紫外光辐照的情况下,TiO2对染料具有漂白作用以及对纤维具有降解作用的现象,并且证实反应前后TiO2保持稳定。但是由于当时半导体理论和分析技术的局限性,这种现象被简单的归因为是紫外光诱促使氧气在TiO2表面上产生了高活性的氧物种所致。而且由于当时社会对能源和环境问题的认识还远没有今天深入,因而这种现象的发现并没有引起人们足够的重视。
 

能源危机带来的发展机遇

  七十年代初期,正值高速发展的西方社会遭遇有史以来最严重的石油危机,严重制约了其经济发展。氢能作为一种可替代石油的未来清洁能源,开始受到世界各国政府和科学家的关注。1972年,Fujishima和Honda在Nature杂志上发表了在近紫外光照射下,TiO2电极分解水产生氢气的论文。其文中提出的利用太阳光催化分解H2O制H2被认为是最佳制氢途径之一(见图1)。这种将太阳能转化为化学能的方法迅速成为极富吸引力的研究方向,各发达国家和一批知名科学家均投入这一领域的研究。
 
图1 光电催化制氢的循环利用途径
 

光催化剂和光电催化反应

  光电催化剂是指在光的辐照下,自身不起变化,却可以促进化学反应的物质。促进化合物的合成或使化合物降解的过程称之为光催化反应。光催化反应利用光能转换成为化学反应所需的能量,来产生催化作用(见图2)。它在自然界中最具代表性的例子为植物的“光合作用”。
 
图2 光电催化反应和光合作用示意图
 
  光电催化剂中目前研究和应用最广泛的是半导体光催化剂,其代表是TiO2。半导体在光激发下,电子从价带跃迁到导带位置,在导带形成光生电子,在价带形成光生空穴。利用光生电子-空穴对的还原和氧化性能,可以光解水制备H2和O2,还原二氧化碳形成有机物,还可以使氧气或水分子激发成超氧自由基及羟基自由基等具有强氧化力的自由基,降解环境中的有机污染物,不会造成资源浪费与形成二次污染。
 

光电催化的发展趋势

  光电催化技术是近年来国际上最活跃的研究领域之一,但是目前主要以TiO2半导体为基础的光催化技术还存在着如量子产率低、太阳能利用率低及回收困难等几个关键的科学技术难题,使其在工业上广泛应用受到极大制约。以上问题的根本解决有赖于基础研究的深入,如提高光催化反应的活性,提高光量子产率,拓展光吸收波长等。尽管目前看来,光催化技术离大规模生产和应用还有一段距离,但是其所显示的巨大潜在优异性能是不容忽视的。因此,在不久的将来,伴随着这些关键问题的突破,纳米光催化材料的实际应用必将得到实现,并改善我们的生存环境,给我们的日常生活带来更多的便利。

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