第1章　半导体光催化基础

1.1　引言

近年来环境污染和能源短缺的问题越来越突出，已成为了21世纪全球所面临并亟待解决的两大重要问题。因此，探寻一种新型的、无污染的，且经济的解决方法对社会可持续发展将起到深远意义。1972年，日本科学家Honda与Fujishima^［1］发现在紫外光的照射下，n型TiO₂半导体电极在水溶液中可将水分解成O₂和H₂。1976年，Carey^［2］课题组在消除环境污染物方面，利用TiO₂悬浮液作为催化剂在紫外光照射下成功降解了多氯联苯。此外，Frank等^［3］在1977年，利用TiO₂有效地降解了水溶液中的氰化物。此后，半导体光催化技术在能源与环境领域的研究成为了热点。半导体光催化剂在环境净化领域的应用具有以下显著的优点：

（1）具有强氧化能力，有机污染物几乎能被彻底矿化降解成无机酸和CO₂、H₂O等无机物小分子；

（2）能够有效吸收太阳光，并利用光致载流子进行氧化-还原的光催化反应；

（3）反应条件平和，室温下，便能迅速地对有机污染物进行光催化反应（数小时内即可达到高的光降解效率）^［4～6］。

然而，虽然半导体光催化技术作为一种新兴技术已得到快速发展，但仍存在许多亟待解决的问题。其中，寻求高效的光催化剂体系是光催化氧化反应的核心问题。而解决该核心问题的途径是将半导体催化剂的本质特性与外部结合材料的性能相统一，来有效转移光致电子，降低电子-空穴对的再复合概率，以提高光催化反应活性。此外，半导体催化剂的形貌、结构、尺寸等都影响着它的光催化活性，因此选择合适的材料，设计并建立有效的半导体光催化剂体系成为了目前国内外研究者所关注的热点问题之一。