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光催化技術(shù)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，有毒氣體和工業(yè)廢水的排放造成了一系列環(huán)境問(wèn)題。為了治理這種環(huán)境問(wèn)題，人們提出許多方法，光催化技術(shù)從中嶄露頭角，在光能利用、產(chǎn)氫、廢棄物處理等方面應(yīng)用前景廣泛。
什么是光催化
1967年，日本科學(xué)家Fujishima和Honda在頂尖雜志上發(fā)表“TiO2可以光催化水”的研究，在紫外光照射下，TiO2電極可以將水分解為氫氣和氧氣，即“本多-藤島效應(yīng)”（Honda-Fujishima Effect），從此光催化技術(shù)進(jìn)入人們的視野。光催化反應(yīng)的本質(zhì)是利用光催化材料發(fā)生光能與化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)化。光催化反應(yīng)的過(guò)程中光催化材料會(huì)產(chǎn)生活性自由基，而這些自由基又會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，由此過(guò)程將污染物降解，直至降解為對(duì)人體無(wú)害的物質(zhì)。
光觸媒材料
光觸媒又稱光催化劑，是一類具有光催化功能的材料，能夠在光子的激發(fā)下起到催化作用。常用的光觸媒材料主要為N型半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度低等特點(diǎn)。ZnO、ZrO2、CdS等氧化物和硫化物材料可用于光催化，一些貴金屬如鉑、銠、鈀等具有更好的光催化性能，但由于其中大多數(shù)易發(fā)生化學(xué)或光化學(xué)腐蝕，而貴金屬成本過(guò)高，都不適于日常應(yīng)用。目前應(yīng)用更為廣泛的光觸媒半導(dǎo)體材料為TiO2，它具有較高的穩(wěn)定性、良好的光電性、價(jià)廉易得和無(wú)毒無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)。
光催化的基本原理
光催化的基本原理主要包括4個(gè)方面。（1）光激發(fā)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)當(dāng)半導(dǎo)體材料受到高于其禁帶寬度的光輻射時(shí)，會(huì)引發(fā)價(jià)帶上的電子遷移到導(dǎo)帶上，由此產(chǎn)生光生電子，而價(jià)帶上會(huì)留空軌道，二者組成光生電子空穴對(duì)；（2）載流子的遷移，就是在內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，光生電子空穴對(duì)得到很好的分離且遷移到半導(dǎo)體表面；（3）氧化還原反應(yīng)，光生電子可以還原水產(chǎn)生氫氣，光生空穴可以氧化水產(chǎn)生氧氣。此外，光生電子與氧氣生成超氧自由基，光生空穴與水生成羥基自由基，這兩種自由基和空穴可以與有機(jī)污染物發(fā)生氧化反應(yīng)從而對(duì)其進(jìn)行分解，并且可以殺滅細(xì)菌病毒；（4）載流子的復(fù)合，一些游離的光生電子與空穴可以在半導(dǎo)體內(nèi)部或表面進(jìn)行復(fù)合反應(yīng)并放出熱量。
光催化技術(shù)的應(yīng)用
光催化技術(shù)可以利用太陽(yáng)能進(jìn)行能源轉(zhuǎn)化和環(huán)境凈化，近些年來(lái)迅速發(fā)展，在空氣凈化、污染物降解、自清潔材料、高效率抗菌、太陽(yáng)能電池等方面得到了廣泛應(yīng)用。
光催化適合室內(nèi)揮發(fā)有機(jī)物的凈化，可用在空調(diào)過(guò)濾器中來(lái)分解甲醛、苯、氨氣等有害氣體。光生空穴的能量達(dá)到3.0eV，相當(dāng)于15000度溫度的能量，能夠破壞大部分化學(xué)鍵，將有機(jī)污染物分解為二氧化碳和水，殺滅病毒和細(xì)菌，去除異味，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣凈化。
基于光催化劑在紫外線照射下具有的氧化還原能力，光催化技術(shù)可應(yīng)用于處理廢水中的污染物。在光照條件下光催化劑可使水中的羥基、鹵代物、羧酸等物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并使其逐步降解，最終變成無(wú)害小分子物質(zhì)，達(dá)到廢水處理的效果。
光催化自潔玻璃可以讓其表面永遠(yuǎn)保持清潔，透明的光催化涂層則可以使鏡子不產(chǎn)生霧氣，這是因?yàn)楣獯呋瘎┛煞纸馕廴疚镏械挠袡C(jī)物和具有很好的潤(rùn)濕性，使得污染物顆粒易脫落。光催化涂層通過(guò)超親水性和降解功能實(shí)現(xiàn)建筑物表面的自清潔功能，國(guó)家大劇院、鳥(niǎo)巢國(guó)家體育館、北京五棵松體育館都采用了具有光催化活性的納米自潔涂層材料。
光催化是一個(gè)充滿朝氣與挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，如能實(shí)現(xiàn)光催化技術(shù)的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，將對(duì)人類生活帶來(lái)莫大的改善。