基于半导体光催化剂研究

＊吴乾威 祝媛媛

（湖北大学知行学院生物与化学工程学院 湖北 430000）

引言

TiO2电极可以在紫外线的照射下把水分解成氢气和氧气作为一项重要的研究成果被登上杂志，这是一项重要的发现，他的出现意味着地球的能源危机可以多一条解决办法，这个发现瞬间在科学界引起轩然大波，在目前的研究方向有两大主要方向，分别为环境光催化和光催化产氧。

半导体光催化剂可以缓解反应激烈的水分解过程，从而直接使光能变成化学能。高效的光催化剂可以研究成功并被使用将会让人类的社会有质的改变。本文论述的主要内容是光催化剂产氢。

1.光催化的机理分析

半导体一共分为价带、导带、禁带三部分，价带是充满电子且能量低的，导带是没有电子且能量极高，禁带则是位于两者之间，他的大小被称为禁带宽度。我们最常见得环保光催化剂是二氧化钛，虽然环保，但是他的缺点也十分明显，就是他的光谱范围十分狭窄，吸收的太阳能利用率极低，甚至不到百分之一，因为效率低下，人们就开始研发新的催化剂，这些比二氧化钛使用太阳能的效率更加高。

2.光催化剂的改性

(1)复合半导体

现在有多种和二氧化钛一起使用的复合材料，具体就是利用光产生的电子和空穴分别处于二氧化钛的导带产生复合价带，这样可以提高光的反应速率。

(2)催化剂固载化

光催化剂的使用方式可以分为两种，一是悬浮态，他的催化效率非常高，但是缺点也非常明显，就是其活性成分损失也很大，分离回收较为繁琐，悬浊液影难以吸收。固定态则可以增加比表面积、这可以增加热稳定性和机械轻度。他可以让催化剂的厚度、均匀度比较容易控制。

(3)助催化剂

半导体光催化剂的费米能比表面沉积的出催化剂高的多。光生电子迁移到助催剂表面发生还原反应，这可以实现氧化和还原反应的空间分离也同时促进了空穴和电子的分离，可以使反应效率和量子效率得到极大的提升。除了以上这些，助催剂还可以让表面反应过电势能降低，增强表面活性，可以让表面的反应效率提高。

(4)染料敏化

这个办法是另外一种复合材料的方法，为的就是让催化剂激发光波长被拓展而将光响应的染料和宽半导体光催化剂复合，这都是为了提高光催化的效果，但是因为要转化为氢气那就必须利用半导体在导带过程当中还原电子，这是一种很难的技术，染料激发的导带是比半导体的导带高的多但是染料也存在一些缺点，就是不稳定，他容易产生性质变化在反应过程中脱落分解，还有就是环保方面，他会对水体造成污染，因为环保性质极差因此也阻碍了大规模的使用。

(5)金属、非金属离子掺杂

宽带半导体的禁带会在掺杂金属离子后出现杂质能极，有的会高于价带，有的会低于导带底。近段时间窄带半导体的研究都集中在金属氧化物、氮化物、碳化物等领域。宽带半导体大部分属于氧化物，他可以激发非金属元素或者金属元素之间的共同掺杂物体，可以有效让发光波长。但是也存在一定的缺点。在混合的过程当中晶体的缺陷虽然没有办法迁移介质在界面，但是也因为里面有惨杂物，所以可以作为一个中心介质在电子空间，虽然催化的作用不大，但是可以成为一个最好的使用能量体。

3.其他新型号光催化材料

(1)窄带半导体光催化材料

传统催化材料已经不能满足现在的需要，现在研发出非常多的新型材料，这种材料往往比传统材料更加稳定，理化性质好，而且对于环境的污染也极少，并且经济实惠。但是和以往的材料一样，稳定性成为新型材料的缺点，无论是传统还是现在的新材料一样的不稳定，虽然都是存在不稳定性，但是新型材料还是凭借其经济实惠性还是比传统材料优秀，新型材料的不稳定性主要体现在大多数的窄带半导体的氧化还原能力都没有宽带半导体催化剂的。

(2)有氧金属骨架催化材料

MOFs是一种很容易失去电子的过渡金属离子，因此对于不同的金属离子中心，他需要通过不同的配体进行调整，这样才可以充分发挥其氧化反应，才可以发挥它最高的催化氧化反应，不但可以发挥其催化作用，还可以发挥其还原反应的独特优势，此外MOFs还具有其自身特点，具有多孔以及大比表面积，这样他就可以作为一个支撑界面作为复合光催化剂，但是他也有自身稳定性差的缺点，因为这个缺点所以让其在水体光催化领域中比较少的使用。

(3)Z体系光催化材料

Z体系光催化材料可以实现光催化体系中电子和空穴的高效分离，这都是得益于Z体系光催化材料能带结构的半导体特质，Z体系从热力学的角度来看可以利用两种不同的半导体，但是他的缺点是对于组分间的电子传递链要求很高，制作的难度因为材料的难以选择而变得极大。

(4)光子晶体光催化材料

光子晶体有两种不同的结构，分别是蛋白石和反蛋白石，他们都有光子禁带以及周期性介电结构，在传播当中他们可以通过全反射的方式禁止特定频率的光子出现。这无论是在单独使用还是联合一起使用都可以增强和改善制备过程当中不同波长范围太阳光谱的催化和吸收。

(5)异质结光催化材料

在两个相同的半导体材料相互接触时，两个晶体的结果和原子间距以及热膨胀系数都几乎是一样的，电场因为被其接触后形成，这个电场可以为电子空穴提供一定的定向迁移，因为电场自己本身有驱动，这都可以有效的让他们产生分离，在不同材料的催化剂中，光生电子是可以实现从高向低的地方转移的，这样就可以产生较高的半导体价带迁移，这是区别于传统的半导体。

(6)固溶体光催化材料

固溶体光催化材料是有相同的晶结构结合而成的，而且需要经过高温的煅烧，而固溶体光催化材料的禁带是一种中间型材料，介于两者之间，他是通过调整宽带和价带来使用的，这都需要非常高的技术把握程度，就目前来说，这种技术并不成熟，而且还需要高耗能的煅烧，所以对于固溶体的各种成分含量把控是一个非常困难的课题，除此之外，因为高温煅烧所以需要提供大量能量来支持，需要花费大量费用，这对于一般企业是难以接受的，这都限制了现在有关材料的有效利用。

(7)表面等离子共振材料

贵金属纳米颗粒的表面等离子共振的特点就是可以吸收一定波长的可见光，这可以让电场的电子和空穴进行一个分离，具体的原理是，在金属纳米颗粒等离子共振产生的热电子传递中会有复合的半导体催化剂的导带参与其中，金属哪里颗粒等离子共振会产生一个强大的电磁场，这可以让共振的光子散射增加，这让光子里面的能量更容易被利用。

就现在的发展来看，Au纳米颗粒是利用范围最大的，有机分子和他的结合也是最融洽的，制作高效的敏化催化剂是需要比较高的消光系数材质，Au纳米颗粒等离子共振是这么多有机染料当中比较高的材质，因此是非常适合用来制作敏化材料的。

4.存在的问题和未来的发展趋势

光解水的正逆反应都是需要表面的反应活性，但是光催化剂大部分都不具备表面活性，所以并不具备可挑选性的，这会导致正反两面的竞争，选择的机会也因此得到了大幅度的提高，这是将催化剂的作用最大化的有效途径。

光谱反应的范围窄也是其中的一个问题，紫外线的能量比红外线少得多，但是现在人类可利用的光线只是紫外线，红外线的高能量转换仍然未被有效利用，所以只可以吸收紫外光，对于红外光是没有办法进行有效利用的。

量子能量效率的低下也影响了量子的效率，以上这些都是存在的问题，人们继续研究，只有当人类研究更加高效的办法，才可以将这种技术推广更加广泛，很多企业虽然开始使用这种技术得到了很好的经济效益，但是效率低下这一块因为技术不成熟，不能达到很好的重复利用，使得膜分离的效果并没有那么好，长期使用效率更是大为降低，这都需要人类去解决。

5.结束语

半导体光催化技术随着时代的发展而发展，很多人也在其他行业领域尝试使用这种新的技术，虽然不断有新的尝试，但是半导体光催化技术目前主要应用的领域还是还原水中有机污染物，对于还原水制氢这种新的领域半导体光催化技术还存在非常多的问题有待解决，例如光催化反应的理论还是在摸索的阶段并没有很扎实的基础，还有就是不稳定性，半导体光催化技术无论使用什么材料都存在一个不能稳定反应的问题，如何有效提高半导体对可见光响应和他的催化效率都是需要解决的问题，半导体光催化技术的发展和应用还是需要我们一起深入研究。