光催化剂的基本原理是通过半导体材料吸收光能，激发电子跃迁并引发氧化还原反应，从而实现化学转化。其核心过程可分为以下三个关键步骤：

一、光吸收与电子跃迁

1. 半导体能带结构
   光催化剂（如TiO₂、ZnO等）具有价带（VB）和导带（CB）的能带结构，两者之间存在禁带宽度（带隙）。当光子能量≥带隙时，价带中的电子被激发跃迁至导带，形成光生电子（e⁻）-空穴（h⁺）对。

   

2. 光响应范围
   光催化剂的吸收光谱需与光源波长匹配。例如，TiO₂主要吸收紫外光（波长≤387 nm），而通过掺杂或改性可扩展至可见光区。

二、电荷分离与迁移

1. 电荷分离机制
   光生电子和空穴需快速分离以避免复合。纳米级催化剂（如纳米TiO₂）因尺寸小，电子易迁移至表面，形成二元协同界面：电子富集区（导带）和空穴富集区（价带），从而驱动氧化还原反应。

2. 分离效率的影响因素

   • 材料结构：如锐钛矿型TiO₂具有更高的电荷分离效率。
   • 表面修饰：通过负载贵金属（如Pt）或构建异质结（如g-C₃N₄/TiO₂），可加速电子转移。

三、表面催化反应

1. 氧化还原反应路径
   • 光生空穴（h⁺）：具有强氧化性，可直接分解污染物（如有机物→CO₂和H₂O）或与水反应生成羟基自由基（·OH）。
   • 光生电子（e⁻）：参与还原反应，例如将O₂还原为超氧自由基（·O₂⁻），或用于产氢（H₂）和CO₂还原。
2. 反应动力学
   反应速率取决于光吸收效率、电荷分离能力及表面活性位点数量。例如，纳米多孔结构可提高比表面积，增强反应物吸附。

四、光催化剂的设计与优化

1. 关键选择标准
   • 带隙调控：通过掺杂（如N掺杂TiO₂）或复合半导体（如TiO₂/WO₃）实现可见光响应。
   • 稳定性：需耐光腐蚀和化学腐蚀，如TiO₂的稳定性优于CdS。
   • 环境友好性：无毒材料（如TiO₂）更适合实际应用。
2. 应用场景适配
   例如，环境净化侧重高氧化能力（如降解VOCs），而能源领域需高效产氢催化剂。

五、典型应用领域

1. 环境净化：分解有机污染物、杀菌（破坏微生物结构）。
2. 能源转换：光解水制氢、CO₂还原为燃料。
3. 医学：抗菌涂层、肿瘤治疗（光动力疗法）。

通过以上机理，光催化技术实现了“光能→化学能”的高效转化，成为环境治理和清洁能源开发的重要研究方向。更多细节可参考相关文献。

光催化剂基本原理

光催化原理是基于光催化剂在光照条件下具有的氧化还原能力，从而可以达到净化污染物、物质合成和转化等目的。通常情况下，光催化氧化反应以半导体为催化剂，以光为能量，将有机物降解为二氧化碳和水。

光催化反应过程

1. 光吸收：当光催化剂（如二氧化钛）受到大于自身禁带宽度的光照射时，半导体价带上的电子（e-）受到激发，从价带跃迁到导带，同时价带上留下带正电的空穴（h+）。

2. 电子-空穴对生成：光生电子具有强还原性，光生空穴具有强氧化性。这些电子和空穴迁移至催化剂表面之后，与吸附在催化剂表面的有机物发生反应，将难降解的污染物分子分解成CO2、H2O等小分子或者实现杀菌消毒的目的。

3. 污染物降解：在光催化过程中，直接用空气中的氧气做氧化剂，反应条件温和（常温常压），可以将有机污染物分解为二氧化碳和水等无机小分子，净化效果彻底。

光催化剂的优点

光催化技术作为一种高效、安全的环境友好型环境净化技术，具有以下优点：

• 操作简单、能耗低、无二次污染、效率高。
• 半导体光催化剂化学性质稳定，氧化还原性强，成本低，不存在吸附饱和现象，使用寿命长。
• 可以利用太阳能为反应光源，运行成本低。

常见的光催化剂

常见的半导体光催化剂种类较多，如TiO2、ZnO、CdS、BiOBr等。其中，二氧化钛（TiO2）的综合性能最好，应用最广，具有良好的抗光腐蚀性和催化活性，而且性能稳定，价廉易得，无毒无害，是目前公认的最佳光催化剂。

发展趋势

尽管光催化技术具有许多优点，但目前光催化材料发展的瓶颈在于大多数光催化剂只能吸收太阳光中4%左右的紫外光，对太阳能的利用率较低。因此，寻找能够响应可见光的半导体材料并对其进行改性，使其能够在可见光区稳定存在，是半导体光催化技术发展的趋势。

如需咨询更多产品信息和价格，请 联系我们 .