半导体光催化剂研究进展简介 (1)

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1、半导体光催化剂研究进展简介唐致富11山西省朔州市平鲁区李林中学，朔州036800摘要：光催化技术是一种纳米技术。光催化作用是有光催化剂参加的光化学过程。由于有能够利用清洁能源、且反应条件简单、无二次污染的优点，光催化技术已经被广泛的应用到污水治理、空气净化、抗菌杀菌等生产生活的各个领域，被认为是最具开发前途的环保型光催化材料。本文分别从光催化剂、半导体光催化、可见光响应光催化剂的研究进展三方面对半导体光催化剂做了简要的阐述，说明研究其的重要性。关键词：光催化剂；半导体光催化；新型可见光响应1.引言光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术，在中国大陆我们会用光触媒这个通俗词来称呼光催化

2、剂。典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。联合国将光触媒开发列为21世纪太阳能利用计划的重要组成部分。世界上能作为光触媒的材料众多，包括二氧化钛(TiO2),氧化锌(ZnO),氧化锡(SnO2),二氧化锆(ZrO2)，硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体，其中二氧化钛(TitaniumDioxide)因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。2.半导体光催化作用2.1半导体光催化机

3、理广泛的说,在光的作用下发生的化学过程,都属于光化学过程。4光催化作用也是光化学过程,其突出的特点在于这类光化学过程中,除了光的作用外,还要有光催化剂参加。反应过程中光催化剂被光激发,加速反应的进行,而光催化剂本身的性质不会发生改变。由于光催化剂为固体半导体,而反应介质通常为气相或液相,所以常将光催化称之为多相光催化或半导体光催化。半导体在受到光子能量等于或大于其禁带宽度的光照射后载流子产生、迁移/复合和转化[1]。2.2半导体光催化活性的影响因素2.2.1能带结构的影响由于光激发是半导体光催化反应的第一步骤，因此能否充分吸收利用太阳光并激发产生光生载流子是半导体光催化剂考虑的首要因素之一。

4、首先能隙大小（Eg）决定了半导体的光响应范围，能隙越小，半导体的吸收波长越长，就可以越充分的利用太阳光中的可见光。其次，半导体导带所处能级价位决定了其还原能力，价带边的电位决定了半导体的氧化能力。2.2.2晶型的影响半导体颗粒在光催化作用中充当了氧化还原反应的电子传递体，因此，即使是同一种光催化剂，不同晶型的光催化活性也存在很大差异。如TiO2是一种常用的半体光催化材料，主要有锐钛矿相和金红石相两种晶型，研究表明，前者表面活性中心较多，其表面吸附有机物及氧气的能力明显优于后者，因此在光催化领域中得到了更多的关注。2.2.3晶粒大小与比表面积的影响一般认为在多相催化反应中，随着粒径的减小，电子

5、和空穴扩散到表面的几率越大，光催化活性也就越好；另外，催化剂的比表面积越大，反应面积就越大，越有助于吸附，反应速率就越大。但并不是粒径越小比表面积越大就越好，因为当粒径在纳米尺度范围内减小时，半导体的吸收带边会蓝移，影响半导体对光的吸收和利用。同时，随着粒径的减小和比表面积的增大，载流子在颗粒表面的复合机率也会逐渐增加，反而降低光催化反应活性。2.2.4环境条件的影响对于同一半导体，当其所处的反应体系和环境发生变化时，由于表面态的不同，导致催化活性也会有很大的差距。以TiO2为例，反应体系的pH的变化会引起半导体表面所带电荷的变化，导致反应物的吸附和产物的解析也发生变化。另外反应物的种类和浓

6、度、光源的选择也会对光催化活性产生很大的影响，这都是应该在设计实验和实际应用中需要考虑的。43.可见光响应光催化剂的研究进展3.1TiO2光催化剂可见光化的研究针对TiO2光催化剂的量子效率很低,且只能利用太阳光中的紫外辐射(约占太阳光能量的4%)而无法利用可见光(约占太阳光能量的43%)的缺点,研究者们通过掺杂、光敏化、复合半导体等方法使Ti02的吸收波长红移到可见光区,以便充分利用太阳光,并对提高光催化过程的量子效率进行了系统深入的研究,尤其是近年来在Ti02掺杂改性方面取得了重要进展。3.1.1复合半导体复合半导体是将两种或两种以上的半导体形成具有一定微观结构和复合体系，以有效的调节单

7、一材料的性能，并产生出许多新性能的表面修饰方法。其中研究最普遍最深入的就是CdS对TiO2的修饰。CdS的带隙宽度窄（2.5eV），能够吸收可见光而被激发，同时CdS的导带位置比TiO2的高0.5eV，这使光生导带电子能够注入到TiO2的导带上，从而有效分离电荷，提高量子效率[2]。3.1.2染料敏化通过将光活性化合物（如曙红Y、劳氏紫）[3]等以物理或化学吸附的方式吸附于TiO2上，借以有效地扩展光催化剂的