催化劑可以在自身不消耗的情況下加速化學(xué)反應(yīng)和/或提高反應(yīng)的選擇性抛蚤。與非催化相較，催化反應(yīng)通過優(yōu)化反應(yīng)路線，能更有效地利用反應(yīng)物和控制副反應(yīng)的生成悲龟，催化劑已被廣泛應(yīng)用于能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換或存儲(chǔ)以及環(huán)境保護(hù)冰寻、合成新藥等催化反應(yīng)中 躲舌。1972 年，日本學(xué)者 Fujishima 和 Honda 發(fā)現(xiàn)性雄，TiO2 單晶在光的照射下能將水分解成氧氣和氫氣没卸。自此以來羹奉，半導(dǎo)體光催化劑引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注，高效半導(dǎo)體光催化劑的研制取得了長足的進(jìn)步约计，并被廣泛應(yīng)用于太陽能電池诀拭、環(huán)境保護(hù)等方面。其中煤蚌，TiO2 因其具有廉價(jià)高效耕挨、環(huán)境友好、耐化學(xué)和光化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)尉桩，一直以來均是半導(dǎo)體光催化領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對象筒占。上面這段話是不是不那么容易理解，沒關(guān)系蜘犁，在進(jìn)入神奇的光觸媒世界之前翰苫，為了便于大家理解，我們先科普幾個(gè)概念这橙。

催化劑：

催化劑又稱為觸媒奏窑，可以在自身不消耗的情況下加速化學(xué)反應(yīng)和/或提高反應(yīng)的選擇性，應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)中具有無損耗屈扎、持久有效等特點(diǎn)埃唯。

光觸媒

光觸媒是一種以具有光催化功能的半導(dǎo)體材料，即在有光環(huán)境下它是一種催化劑鹰晨，但在無光環(huán)境下墨叛，將失去催化能力。它能在光照射下產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的物質(zhì)（如羥基自由基模蜡、氧氣等）巍实，并且可用于分解有機(jī)化合物（甲醛、苯哩牍、TVO等棚潦、部分無機(jī)化合物、細(xì)菌及病毒等膝昆，同樣具有無損耗丸边、持久有效等特點(diǎn)。

光電子空穴對

提到將光觸媒的催化原理荚孵，不得不涉及半導(dǎo)體的能帶理論妹窖，但它枯燥、乏味又難懂收叶，在這筆者只能去盡量做簡單的解釋骄呼。半導(dǎo)體光催化劑的能帶不連續(xù)，在價(jià)帶（VB）和導(dǎo)帶（CB）之間存在禁帶。當(dāng)入射的光子能量匹配或超過半導(dǎo)體的帶隙能量（Eg）時(shí)蜓萄，處于價(jià)帶中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶上隅茎，從而在導(dǎo)帶產(chǎn)生高活性電子(e-), 價(jià)帶上則生成帶正電荷的空穴( h+)。

或許這個(gè)概念不好理解嫉沽，但簡單來講辟犀，光觸媒需要起作用，必須生成光電子-空穴對绸硕，這就有賴于你給什么樣的光去激發(fā)它堂竟。并不是所有的光都能使其生成光電子空穴對，如果吸收光的頻率不夠（光的波長越短玻佩，頻率越高）出嘹，就無法讓光電子突破禁帶，從而放飛自我咬崔。

光催化原理

光觸媒產(chǎn)生的光生電子(e-)與氧氣結(jié)合生成O2-税稼，空穴奪取OH-的自由電子結(jié)合生成HO·（氫氧根自由基），這些性質(zhì)活潑的產(chǎn)物可降解空氣中的大部分揮發(fā)性污染物刁赦，并滅殺病菌娶聘。

光觸媒等于二氧化鈦闻镶？

那么甚脉，光觸媒可以和二氧化鈦（TiO2）劃等號(hào)嗎？答案是不可以铆农，他們集合和子集的關(guān)系牺氨，簡單來說，光觸媒包括二氧化鈦墩剖，但不僅僅是二氧化鈦猴凹，只不過二氧化鈦是其中的典型代表而已。常用的光觸媒材料主要為N型半導(dǎo)體材料岭皂，具有禁帶寬度低等特點(diǎn)郊霎，包括TiO2 、 ZrO2爷绘、ZnO书劝、CdS、WO3土至、Fe2O3购对、PbS、SnO2陶因、ZnS骡苞、SrTiO3、SiO2和一些納米貴金屬鉑、銠解幽、鈀等贴见，但由于其中大多數(shù)易發(fā)生化學(xué)或光化學(xué)腐蝕，或者成本過高亚铁，都不適于日常應(yīng)用蝇刀。常用的光觸媒半導(dǎo)體材料為二氧化鈦。

光催化劑g-C3N4制備工藝流程圖

二氧化鈦都能用作光催化材料徘溢？

當(dāng)然吞琐，這個(gè)答案也是否定的。二氧化鈦在自然界中是一種白色固態(tài)氧化物然爆，俗稱鈦白粉站粟。二氧化鈦具有無毒曾雕、不透明性好、光亮度極佳和粘附力強(qiáng)的特性剖张，工業(yè)中被廣泛用作無機(jī)顏料。二氧化鈦?zhàn)鳛閚型半導(dǎo)體搔弄，由于其原子排列不同幅虑，主要有銳鈦型顾犹、金紅石型和板鈦型三種結(jié)晶形態(tài)倒庵。由于晶體結(jié)構(gòu)不同，銳鈦礦炫刷、金紅石和板鈦礦有不同物理化學(xué)性質(zhì)擎宝。

板鈦型的結(jié)晶形態(tài)屬于斜方晶系八面體結(jié)構(gòu)戳表，是一種亞穩(wěn)相滚粟，其格結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，在高溫中容易轉(zhuǎn)化為金紅石吩愧。因此顾彰，板鈦型研究價(jià)值很小极阅。銳鈦型和金紅石型都屬于四方晶系。相比于銳鈦型拘央，金紅石型原子排列更緊湊涂屁，折射率更高，因此呈現(xiàn)更高的分散光線能力灰伟。因此拆又，在工業(yè)生產(chǎn)中金紅石型是非常重要的白色涂料之一儒旬。銳鈦型光催化活性相比前兩種晶體材料會(huì)更好，在光催化降解以及制氫等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景帖族。

光觸媒有哪些材料特性栈源？

1. 環(huán)保無毒：光觸媒代表物質(zhì)是TiO2，其化學(xué)穩(wěn)定性高竖般，且經(jīng)美國食品藥物管理局（FDA）認(rèn)可為安全物質(zhì)甚垦，對人體并無傷害，在食品涣雕、日常生活用品艰亮、化妝品、醫(yī)藥挣郭、養(yǎng)殖業(yè)中普遍采用迄埃。

2. 消毒殺菌性：光觸媒吸收自然光后具有強(qiáng)吸收電子的能力，即強(qiáng)氧化性兑障，能有效催化分解有害有機(jī)侄非、無機(jī)物質(zhì)，也能消除細(xì)菌和病毒流译。例如，光觸媒能將室內(nèi)有害揮發(fā)性有機(jī)物甲醛福澡、二氯苯、甲苯眯搭、二甲苯业岁、TVOC等降解為無毒無害的小分子水和CO2寇蚊。 同時(shí)仗岸，也可以將細(xì)菌真菌釋放出的毒素分解及無害化處理。

3. 永久性：光觸媒原液具有速干性的特性较锡，涂于基材表面后即能速干并變成非水溶性物質(zhì)蚂蕴，10天內(nèi)便可達(dá)到相當(dāng)于鉛筆4H的硬度。在環(huán)境污染不嚴(yán)重的條件下骡楼，只要不磨損、不剝落引镊，光觸媒本身不會(huì)發(fā)生變化和損耗篮条。在光的照射下可以持續(xù)不斷的凈化污染物，具有時(shí)間持久亮瓷、持續(xù)作用的優(yōu)點(diǎn)嘱支。

4. 自凈性：經(jīng)光觸媒加工的表面除师，通過紫外線的照射后受到激發(fā)扔枫，可以把接觸的有機(jī)物分解掉，不僅起到殺菌作用倚舀，還能將有害物質(zhì)分解為無害小分子物質(zhì)忍宋。同時(shí)由于光照條件下表現(xiàn)出的超親水特性，當(dāng)灰塵落于光觸媒涂層上時(shí)舵稠，只需以清水清洗便達(dá)到潔凈表面的目的入宦。

光觸媒這么牛叉，就沒有缺點(diǎn)嗎乾闰？

光觸媒當(dāng)然也有其使用局限性，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1. 無光不分解

所謂的光觸媒轿钠，顧名思義，一定要有光的參與竿报，才能令其發(fā)生作用继谚，所以其使用場景也會(huì)相對首先，對于無光和暗光環(huán)境芽世，其效果將會(huì)大打折扣诡壁。

2. 光電子空穴對容易復(fù)合

在催化反應(yīng)中光電子空穴對起到非常重要的作用妹卿，污染物降解、光催化消毒等都源于光電子空穴對的生成箕宙。然而光生電子和空穴的激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的铺纽，可以很容易地重新復(fù)合。光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子的復(fù)合率高陷寝，是導(dǎo)致量子效率低下的主要原因之一凤跑。通常情況下尝偎，二氧化鈦的量子產(chǎn)率低（4%）鹏控，最高不超過10%，因此大大限制了其使用的效能抖僵。

3. 光能利用率低

當(dāng)前, TiO2光觸媒對太陽光能量利用率低耍群，只能吸收太陽光中的紫外線，而太陽光中紫外線僅占5-7%蹈垢，因此,其使用場景受限較大，通常還需要高壓汞燈溉瓶、紫光燈谤民、紫外線燈等照明手段輔助，其能耗高且操作不方便触创。

4. 材料的團(tuán)聚現(xiàn)象

納米TiO2光觸媒存在難在均相體系中分散（如水溶液中）哼绑，易團(tuán)聚碉咆、易失活的特點(diǎn)。另外帽蝶，目前的光觸媒負(fù)載技術(shù)很難既保持TiO2較高的光催化活性,同時(shí)又能均勻牢固地固著在載體表面且不損害負(fù)載材料的理化性能励稳。那么，如何針對上述缺陷去優(yōu)化光觸媒的材料特性呢驹尼？各國學(xué)者大咖做了很多的努力和嘗試新翎，由于篇幅所限住练，我們下期再詳細(xì)講，歡迎關(guān)注我們亏吝，分享更多室內(nèi)空氣污染防治干貨……