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關(guān)于光催化的這些知識您知道嗎?
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1、 什么是光催化
一般說來，催化分為均相催化、多相催化和酶催化，而光催化是多相催化的一個分支。光催化是利用光能進行物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一種方式是物質(zhì)在光和催化劑共同作用下所進行的化學(xué)反應(yīng)。光催化是催化化學(xué)、光化學(xué)、半導(dǎo)體物理、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科交叉的新興研究領(lǐng)域。
2、 光催化的發(fā)展歷史
經(jīng)過幾十年的發(fā)展，光催化在污染物降解、重金屬離子還原、空氣凈化、CO2 還原、太陽能電池、抗菌、自清潔等方面受到廣泛應(yīng)用研究，是上熱門研究領(lǐng)域之一。
3、光催化材料
A)金屬氧化物
常見的金屬氧化物光催化材料有 TiO2, Fe2O3，WO3，ZnO，Bi2O3, In2O3, SnO2，Cu2O 等等。TiO2 因其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、催化活性高、價格低廉、無毒無污染等優(yōu)點而備受人們的青睞，是當(dāng)今研究多的光催化劑
B)金屬硫化物
CdS
和 MoS2 是硫化物在光催化領(lǐng)域應(yīng)用中的兩種代表性材料，具備二維層狀結(jié)構(gòu)，能帶可調(diào)，當(dāng)其由多層變?yōu)閱螌訒r，其禁帶寬度變寬，光學(xué)和電學(xué)性能也會發(fā)生改變。
C)Bi
基光催化劑
鉍基催化劑中，鹵氧化鉍 BiOX（X=Cl、Br、I）材料具有*的層狀結(jié)構(gòu)，[Bi2O2]2+ 層和雙 X -交替排列。當(dāng) Br 4p 上電子受光激發(fā)躍遷至 Bi 6p 軌道時，[Bi2O2]2+ 層與 X -層之間形成的內(nèi)建電場有助于電子空穴對的有效分離，延長光生載流子的壽命，有助于提高其光催化活性。BiVO4、Bi2WO6、Bi2MoO6 等也因其可見光催化性能而受到廣泛研究。
D)Ag基光催化劑
Ag3PO4、Ag2CrO4、AgBr 等因其可見光響應(yīng)性能而受到廣泛研究，但普遍存在穩(wěn)定性差、易被光腐蝕的問題。因而目前對銀基光催化劑的研究多集中在對其的修飾改性上，尤其以半導(dǎo)體復(fù)合居多。
E)g-C3N4
石墨相氮化碳(g-C3N4)，作為一種非金屬半導(dǎo)體光催化劑，具有合適的禁帶寬度，能在可見光下響應(yīng)，其化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性良好，還可以通過改變反應(yīng)條件來調(diào)節(jié)形貌結(jié)構(gòu)、催化性能。
F)元素半導(dǎo)體光催化劑
Feng
Wang 等發(fā)現(xiàn)紅、磷具有 p 型半導(dǎo)體性質(zhì)，在以 Pt 為助催化劑、可見光條件下，能將 H2O 分解為 H2 。Gang Liu 等發(fā)現(xiàn) α-S(S8) 是一種可見光響應(yīng)元素半導(dǎo)體光催化材料，不管紫外光還是可見光，都可以降解有機分子、分解水。
G)其他光催化材料
此外，像金屬有機框架材料 (MOFs)、共軛微孔聚合物 (CMPs)、共價有機框架材料 (COFs) 在光催化領(lǐng)域也有所運用。Cheng Wang 等合成各種金屬離子摻雜 MOFs 材料，可用于 H2O 分解、CO2 還原和有機轉(zhuǎn)化。Zijian Wang 等合成一種含有共軛微孔聚合物 (CMP) 的二苯并噻吩二氧化物，能在可見光下將水分解為 H2。Pi-Feng Wei 等構(gòu)建了一系列超穩(wěn)定的苯并惡唑基共價有機框架材料作為無金屬光催化劑，可在可見光下將芳基硼酸氧化為酚
。
4、光催化反應(yīng)機理
(Ⅰ)當(dāng)入射光能量 hv 不小于禁帶寬度 Eg 時，價帶上電子 e -吸收光能躍遷至導(dǎo)帶，同時價帶上產(chǎn)生空穴 h+；
(Ⅱ)產(chǎn)生的 e-、h+ 在電場或者擴散作用下分別遷移至半導(dǎo)體表面；
(Ⅲ)具有還原能力的 e -與具有氧化能力的 h+ 與吸附在半導(dǎo)體表面上的物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，比如污染物降解、水分解制氫氣等
5、光催化的研究方向
1）水污染治理
隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，環(huán)境污染問題日趨嚴重，水污染是其中重中之重。相比傳統(tǒng)水污染治理方法，光催化法綠色環(huán)保、無二次污染。除了常見的各種染料，如亞甲基藍 (MB)、羅丹明 B (RhB)、甲基橙 (MO) 等，其他無色的污染物，比如苯酚、雙酚 A(BPA)，或者各種抗生素農(nóng)藥等都可以降解掉。此外，光催化還可以將水體中的有毒重金屬離子，如 Cr6+、Pt4+、Au3+ 等還原為低價離子，減弱其毒性。
2）水分解
傳統(tǒng)的化石能源儲量有限，且燃燒后會造成溫室效應(yīng)和環(huán)境污染，如何制造清潔可再生能源是研究熱點。利用光催化將水分解為 H2 和 O2，用氫能源取代化石能源，生態(tài)環(huán)保、成本低。但目前產(chǎn)氫效率還比較低，距離實際工業(yè)化應(yīng)用還有很長的路要走。
3）CO2 還原
隨著大氣中 CO2 濃度不斷增加，溫室效應(yīng)越發(fā)明顯，氣候頻發(fā)，如何降低大氣中 CO2 含量是函待解決的重大問題。利用光催化技術(shù)，將 CO2 還原為甲烷、甲醇、甲酸等有機化合物，具有很高的應(yīng)用價值。
4）空氣凈化
空氣中含有的污染物主要有氮氧化物 (NO2，NO 等)，硫氧化物(SO2，SO3 等)，各種揮發(fā)性有機化合物(甲苯、苯、二甲苯、乙醛、甲醛等)。目前處理空氣污染常見方法為物理吸附或者借助貴金屬降解，物理吸附適用面廣，但只適合于濃度較高污染物；貴金屬降解成本高，且條件苛刻，耗能高，效率低，只適用于有經(jīng)濟條件的工廠。光催化作為一種新型的綠色環(huán)保技術(shù)，成本低，適用面廣，顯示出廣闊應(yīng)用前景。
5）抗菌
抗菌材料分為有機和無機兩類，而有機材料抗菌性弱、耐熱性差、穩(wěn)定性較差等特點限制了其使用，并逐漸被無機抗菌材料取代，而負載有銀、銅等金屬離子的無機殺菌劑能使細胞失去活性，但細菌被殺死后，可釋放出致熱和有毒的組分，如內(nèi)毒素。而 TiO2 等光催化劑不僅能殺死細菌，還能*降解有毒組分。
6）有機合成
傳統(tǒng)有機合成經(jīng)常使用到有害有毒或者危險試劑，且一些反應(yīng)條件苛刻，而光催化有機合成反應(yīng)條件溫和，具備高選擇性，簡單環(huán)保，成為有機合成研究熱點。目前，光催化在有機合成中的應(yīng)用有：
(1)醇，胺，烯烴和烷烴的氧化或芳香族化合物羥基化反應(yīng)；
(2)用親核試劑活化、官能化 α-C-H 鍵以構(gòu)建新的 C-C 或 C-X(X = O，N 或 S)鍵；
總而言之一句話：光催化是一個充滿朝氣與挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，其中一些技術(shù)能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的話，將對人類生活帶來莫大的改善。