光催化原理

光催化是藤島昭教授在1967年的一次試驗中，對放入水中的氧化鈦單晶進行紫外燈照射，結果發現水被分解成了氧和氫而發現的。通俗意義上講觸媒就是催化劑的意思，光觸媒顧名思義就是光催化劑。催化劑是加速化學反應的化學物質，其本身並不參與反應。光催化劑就是在光子的激發下能夠起到催化作用的化學物質的統稱。

光催化劑的種類其實很多，包括二氧化鈦，氧化鋅，氧化錫，二氧化鋯，硫化鎘等多種氧化物硫化物半導體，另外還有部分銀鹽，卟啉一等也有催化效應，但他們基本都有一個缺點-----存在損耗，即反應前和反應後其本身會出現消耗，而且它們大部分對人體都有一定的毒性。所以，21世紀所知的最有應用價值的光催化材料，就是二氧化鈦。 ^[2] 

如何解釋光催化這個反應呢，其實，從宏觀看，可以把它理解成光合作用的逆反應。

眾所周知，最初的地球環境不適合生物生存，後來光合細菌和植物開始用光合作用，用葉綠素作為催化劑，將無機物轉化為有機物，它們花了近30億年才結束了地球的惡劣環境，創造了地球生物發展的温牀。而我們的光催化反應則將這個反應反過來了，即催化劑在光的作用下，將有機物轉化成了無機物，這對補完自然界的物質循環過程具有巨大的意義。

那麼，光催化的微觀反應是什麼樣的呢？通俗的説，二氧化鈦粒子本身是很穩定的存在，但是它吸收了紫外光的能量以後，就開始變得“興奮”起來，把自己身上的電子到處亂扔，於是，它拋出的電子和自身空出的“電位”就變成了撕扯有機物大分子的“刀”，而當能量減弱以後，二氧化鈦粒子就需要“歇會”了，它扔出去的電子也全部跑了回來，和空出的電位結合，於是，二氧化鈦粒子在不消耗自己的情況下，將有機物降解了，這個過程很複雜，但最終的產物是二氧化碳和水。

光催化的原理是利用光來激發二氧化鈦等化合物半導體，利用它們產生的電子和空穴來參加氧化—還原反應。 當能量大於或等於能隙的光照射到半導體納米粒子上時，其價帶中的電子將被激發躍遷到導帶，在價帶上留下相對穩定的空穴，從而形成電子—空穴對。由於納米材料中存在大量的缺陷和懸鍵，這些缺陷和懸鍵能俘獲電子或空穴並阻止電子和空穴的重新複合。這些被俘獲的電子和空穴分別擴散到微粒的表面，從而產生了強烈的氧化還原勢。 ^[3] 

導帶（conduction band）是由自由電子形成的能量空間。即固體結構內自由運動的電子所具有的能量範圍。導帶是半導體最外面（能量最高）的一個能帶，是由許多準連續的能級組成的；是半導體的一種載流子——自由電子（簡稱為電子）所處的能量範圍。

價帶（valence band）或稱價電帶，通常是指半導體或絕緣體中，在0K時能被電子佔滿的最高能帶。對半導體而言，此能帶中的能級基本上是連續的。全充滿的能帶中的電子不能在固體中自由運動。

在能帶結構中能態密度為零的能量區間。常用來表示價帶和導帶之間的能態密度為零的能量區間。禁帶寬度的大小決定了材料是具有半導體性質還是具有絕緣體性質。半導體的禁帶寬度較小，當温度升高時，電子可以被激發傳到導帶，從而使材料具有導電性。

能隙（Bandgap energy gap）或譯作能帶隙，在固態物理學中泛指半導體或是絕緣體的價帶（valence band）頂端至導帶（conduction band）底端的能量差距。

操作簡單、能耗低、無二次污染、效率高。

1.直接用空氣中的氧氣做氧化劑，反應條件温和（常温 常壓） 2.可以將有機污染物分解為二氧化碳和水等無機小分子，淨化效果徹底。 3.半導體光催化劑化學性質穩定，氧化還原性強，成本低，不存在吸附飽和現象，使用壽命長。

光催化淨化技術具有室温深度氧，二次污染小，運行成本低和可望利用太陽光為反應光源等優點，所以光催化特別合適室內揮發有機物的淨化，在深度淨化方面顯示出了巨大的應用潛力。 常見的光催化劑多為金屬氧化物和硫化物，其中二氧化鈦的綜合性能最好，應用最廣。自1972年Fujishima和Honda發現在受輻照的二氧化鈦上可以持續發生水的氧化還原反應，併產生氫氣以來，人們對這一催化反應過程進行了大量研究。

結果表明，二氧化鈦具有良好的抗光腐蝕性和催化活性，而且性能穩定，價廉易得，無毒無害，是目前公認的最佳光催化劑。該項技術不僅在廢水淨化處理方面具有巨大潛力，在空氣淨化方面同樣具有廣闊的應用前景。

限制光催化應用的原因：

1.光腐蝕

2.光催化劑本身的吸光率和評價中使用光源的波長與強度

3.光催化反應中電子空穴再結合的防止

4.氧化反應開始後的後續反應難以控制

5.比表面積不足 ^[4] 

通俗的説，光催化劑分解有機物沒有選擇性，所以，負載催化劑的材料本身也會遭到分解，一旦催化粒子脱落，材料就失效了；第二，催化劑粒子的團聚現象比較嚴重，導致比表面積太小，催化效果太弱，而由此又導致氧化反應不徹底，反而容易產生其他有害物質。第三，光催化反應對光源的選擇性很強，只能在紫外光作用下反應，這也在一定程度上限制了催化效率。