光化学反应器之光催化的历史以及研究方向-凯时尊龙官网app

1967年，硕士一年级的 fujishima在 honda 指导下开始实验，发现在紫外光照射下， tio₂ 电极可以将水分解为氢气和氧气，即 “本多 -藤岛效应 ” （ honda-fujishima effect）。 1972 年，他们将这一现象发表在 nature 上，揭开了多相光催化新时代的序幕。

1976 年， carey等发现 tio ₂ 在紫外光条件下能有效分解多氯联苯，被认为是光催化技术在消除环境污染物方面的创造性工作，继而进一步推动了光催化研究热潮。且 1983 年起，a.l.pruden和 d.follio发现烷烃、烯烃和芳香烃的氯化物等一系列污染物都能被光催化降解掉，扩大了光催化在环境领域的应用。  

1977 年， yokota t等发现在光照条件下， tio ₂ 对丙烯环氧化具有光催化活性，拓宽了光催化的应用范围，为有机物合成提供了一条新的思路。经过几十年的发展，光催化在污染物降解、重金属离子还原、空气净化、 co ₂ 还原、太阳能电池、抗菌、自清洁等方面受到广泛应用研究，是国际上热门研究领域之一。

(ⅰ )当入射光能量 hv不小于禁带宽度 eg 时，价带上电子 e-吸收光能跃迁至导带，同时价带上产生空穴 h ；
( ⅱ) 产生的e- 、 h 在电场或者扩散作用下分别迁移至半导体表面；
( ⅲ) 具有还原能力的e- 与具有氧化能力的 h 与吸附在半导体表面上的物质发生氧化还原反应，比如污染物降解、水分解制氢气等。

1）水污染治理
随着工业化和现代化的不断发展，环境污染问题日趋严重，水污染是其中重中之重。相比传统水污染治理方法，光催化法绿色环保、无二次污染。除了常见的各种染料，如亚甲基蓝 (mb) 、罗丹明  b (rhb)、甲基橙  (mo)  等，其他无色的污染物，比如苯酚、双酚  a(bpa) ，或者各种抗生素农药等都可以降解掉。此外，光催化还可以将水体中的有毒重金属离子，如 cr ⁶ 、 pt⁴ 、 au³   等还原为低价离子，减弱其毒性。

2）水分解
传统的化石能源储量有限，且燃烧后会造成温室效应和环境污染，如何制造清洁可再生能源是研究热点。利用光催化将水分解为 h ₂ 和 o₂ ，用氢能源取代化石能源，生态环保、成本低。但目前产氢效率还比较低，距离实际工业化应用还有很长的路要走。

3） co₂ 还原
随着大气中 co ₂ 浓度不断增加，温室效应越发明显，极端气候频发，如何降低大气中 co ₂ 含量是亟待 解决的重大问题。 利用光催化技术，将 co ₂ 还原为甲烷、甲醇、甲酸等有机化合物，具有很高的应用价值。

4）空气净化
空气中含有的污染物主要有氮氧化物 (no₂ ， no 等 ) ，硫氧化物 (so ₂ ， so₃   等 ) ，各种挥发性有机化合物 (甲苯、苯、二甲苯、乙醛、甲醛等 ) 。目前处理空气污染常见方法为物理吸附或者借助贵金属降解，物理吸附适用面广，但只适合于浓度较高污染物；贵金属降解成本高，且条件苛刻，耗能高，效率低，只适用于有经济条件的工厂。光催化作为一种新型的绿色环保技术，成本低，适用面广，显示出广阔应用前景。

5）抗菌
抗菌材料分为有机和无机两类，而有机材料抗菌性弱、耐热性差、稳定性较差等特点限制了其使用，并逐渐被无机抗菌材料取代，而负载有银、铜等金属离子的无机杀菌剂能使细胞失去活性，但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒的组分，如内毒素。而 tio ₂  等光催化剂不仅能杀死细菌，还能彻底降解有毒组分。

6）有机合成
传统有机合成经常使用到有害有毒或者危险试剂，且一些反应条件苛刻，而光催化有机合成反应条件温和，具备高选择性，简单环保，成为有机合成研究热点。目前，光催化在有机合成中的应用有：
(1) 醇、胺、烯烃和烷烃的氧化或芳香族化合物羟基化反应；
(2) 用亲核试剂活化、官能化 α-c-h 键以构建新的 c-c 或 c-x(x=o ， n  或  s) 键；
(3) 将硝基苯还原成氨基苯或偶氮苯等等。