關于光催化氧化技術的綜述研究
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摘 要：光催化氧化技術是一種具有應用前景的環境污染治理技術，近年來在多種領域取得了一系列成果。本文通過分析其在環境和能源領域應用，闡述了光催化過程中電荷轉移過程和機理。同時在光催化改性、異質結光催化劑、新型光催化劑等幾個方面結合最新的文獻進行了相關綜述，為光催化氧化技術的發展提供了借鑒作用。
關鍵詞：光催化氧化;綜述;新型光催化劑
引言
自從1972年Fujishima發現TiO2光催化現象以來，以半導體光催化劑為代表的光催化氧化技術由于其直接利用太陽光驅動反應、催化劑良好的穩定性而成為一種具有應用前景的環境污染治理技術，近年來在有機污染物降解、重金屬還原、產氫、太陽能電池以及有機物合成等領域取得了一系列成果，受到環境、材料、化學和能源領域研究人員的關注。
1 環境和能源領域應用
光催化氧化技術在環境和能源領域中的應用非常廣泛，包括污水處理（光催化降解染料、抗生素、POPs、農藥等各種有機污染物;光催化還原重金屬降低其毒性和生物有效性）、氣體凈化（降解NOx、SOx、VOCs等氣體有機污染物）、廣譜抗菌、光解水制氫、還原CO2以及合成有機物（利用合成氣CO和H2制備人造汽油）[1-2]。根據納米光催化劑的類型，可分為零維（0D）、一維（1D）、二維（2D）和三維（3D）納米材料;同時制備相同或不同維度納米材料復合結構也是提高光催化活性的有效手段之一[3]。
2 光催化過程中電荷轉移過程和機理
半導體光催化劑的能帶結構由填滿電子的低能價帶和空的高能導帶構成，價帶和導帶之間存在禁帶，當能量大于等于禁帶寬度的光照射時，價帶上的電子激發躍遷至導帶，價帶上產生相應的空穴，空穴和電子在電場作用下分離并遷移到粒子表面，產生空穴-電子對;接受一定能量光照后的半導體光催化劑本身處于不穩定的激發態，為保持本身的穩定性，處于激發態的半導體光催化劑將釋放外來能量，即能量弛豫。半導體光催化劑的能量弛豫過程主要包括四個途徑，分別是電子和空穴在光催化劑的體內復合（即體相復合）、電子和空穴在光催化的表面復合（即表面復合）、遷移到光催化劑表面的電子與表面吸附的電子受體反應（即還原過程）、遷移到光催化劑表面的空穴與表面吸附的電子給體反應（即氧化過程）[4]。其中體相復合和表面復合不利于光催化反應，還原過程和氧化過程有利于光催化反應。
3 光催化劑改性
盡管光催化氧化技術在環境和能源領域具有良好的應用前景，但是目前光催化技術仍存在一些局限性，主要是半導體光催化劑的禁帶寬度較寬，如金紅石TiO2禁帶寬度為3.0 eV，銳鈦礦TiO2禁帶寬度為3.2 eV，光催化反應缺乏對可見光的響應，另一方面光催化過程中空穴-電子對復合率高，量子效率低，限制了光催化技術的應用[5]。為提高半導體光催化劑的活性，學者對光催化劑進行改性研究，包括金屬/非金屬摻雜、貴金屬表面沉積、染料光敏化、半導體復合等[6]。
4 異質結光催化劑
除了對光催化劑改性之外，不同禁帶寬度和類型的半導體光催化劑相互復合構建異質結也是提高光催化活性的手段。Vincent G. Gomes等人詳細綜述了TiO2分別和導電聚合物、碳材料構建新型異質結光催化劑，包括TiO2/PoPD（聚鄰苯二胺）、TiO2/PANI（聚苯胺）、TiO2/PTh（聚噻吩）、TiO2/PPY（聚吡咯）、TiO2/CNTs（碳納米管）、TiO2/GO（氧化石墨烯）、TiO2/g-C3N4（石墨相碳化氮）等[7]。Yu Jiaguo和Mietek Jaroniec等人在2014年對全固態Z-體系光催化異質結進行了綜述，構建了PS-PS和PS-C-PS體系，為全固態Z-體系異質結光催化劑的設計、構建和應用指明了方向[8]。
5 新型光催化劑
隨著光催化技術研究的深入，越來越多新型光催化劑進入研究者的視野，新型光催化劑包括利用新方法和手段制備傳統金屬氧化物半導體，以及在光催化體系中引入新材料。Kazuya Nakata等人在2012年的綜述中對經典光催化劑TiO2的新型制備方法進行了總結，包括靜電紡絲技術制備TiO2纖維和陽極處理TiO2納米管，為傳統半導體光催化劑的發展和未來提出了一種新思路[9]。另一方面，Yu Jiaguo等人對目前的明星材料“石墨烯”在光催化上的應用進行了綜述，文章對石墨烯基納米材料的制備、異質結設計和構建、石墨烯提高光催化活性機理等內容進行了闡述，對于指導和調控石墨烯用于光催化領域的研究十分重要和必要[10]。
結論
光催化氧化技術是一種具有應用前景的環境污染治理技術，近年來在多種領域取得了一系列成果。本文通過分析其在環境和能源領域應用，闡述了光催化過程中電荷轉移過程和機理。同時在光催化改性、異質結光催化劑、新型光催化劑等幾個方面結合最新的文獻進行了相關綜述，為光催化氧化技術的發展提供了借鑒作用。
參考文獻
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