光催化技术有哪些催化剂

光催化技术中使用的催化剂种类多样，根据材料性质和应用领域可分为以下几类：

一、无机半导体光催化剂

1. 二氧化钛（TiO₂）
   • 最主流的催化剂，具有无毒、化学稳定、强氧化能力的特点，常见锐钛矿和金红石晶型。
   • 缺点：仅吸收紫外光，需通过掺杂（如氮、碳）或复合其他材料扩展可见光响应。
2. 其他金属氧化物/硫化物
   • 氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）：早期常用，但易光溶解释放有毒离子，现多用于工业领域。
   • 氧化钨（WO₃）、钒酸铋（BiVO₄）：可见光响应材料，适用于太阳能转换。
3. 非金属材料
   • 石墨相氮化碳（g-C₃N₄）：低成本、稳定性好，可通过掺杂或异质结提升性能。
   • 石墨烯：高导电性，常作为载体增强电子传输效率。

二、有机光催化剂

1. 过渡金属配合物
   • 铱配合物（如fac-Ir(ppy)₃）：用于有机合成中的电子转移反应，如三氟甲基化、脱羧偶联。
   • 钌配合物：常见于光解水制氢领域。
2. 有机染料
   • Eosin Y、罗丹明：可见光响应，用于氧化还原反应（如脱保护基、芳烃偶联）。
   • 吖啶鎓类（如Mes-Acr⁺）：强氧化性，适用于C-H键活化。

三、复合型光催化剂

1. 异质结体系
   • TiO₂/石墨炔、g-C₃N₄/BiOI：通过界面电荷分离提升效率。
   • Z型体系：模拟植物光合作用，增强氧化还原能力。
2. 负载型催化剂
   • 贵金属（Pt、Ag）修饰：作为电子陷阱抑制复合，提升产氢效率。
   • 单原子催化剂（SACs）：高原子利用率，用于CO₂还原、氮气固定。

四、新型及特殊体系

1. 金属有机框架（MOFs）
   • 高比表面积和可调孔结构，适用于污染物吸附与光催化协同降解。
2. 可见光响应材料
   • BiVO₄、WO₃：窄带隙半导体，直接利用太阳光。
   • 钙钛矿材料：高效光吸收，但稳定性需优化。
3. 生物相容性催化剂
   • 如活细胞内光催化体系，用于肿瘤治疗或生物反应。

引用说明

以上分类综合了实验室常用材料（如TiO₂）、有机合成催化剂（如铱配合物）、复合体系（如Z型）及前沿技术（如单原子催化剂）。更多细节可查阅相关文献或专利。

光催化技术中常用的催化剂可分为无机半导体材料、有机光催化剂和复合/新型材料三大类，以下为分类及典型代表：

一、无机半导体材料

1. 金属氧化物
   • 二氧化钛（TiO₂）：最常用的光催化剂，具有锐钛矿、金红石等晶型，氧化能力强、稳定性高且无毒，广泛应用于环境净化、水处理和能源转换。
   • 氧化锌（ZnO）：早期应用较多，但易光溶解产生毒性离子，现多用于工业领域。
   • 二氧化锆（ZrO₂）、氧化锡（SnO₂）：具有高化学稳定性，适用于高温或强酸碱环境的光催化反应。
2. 硫化物与氮化物
   • 硫化镉（CdS）：可见光响应能力强，但光腐蚀严重，释放有毒镉离子，民用领域已少用。
   • 石墨相氮化碳（g-C₃N₄）：无金属二维材料，可见光吸收范围广，常用于产氢和CO₂还原。

二、有机光催化剂

1. 过渡金属配合物
   • 铱（Ir）配合物（如Ir(ppy)₃）：可见光响应高效，用于有机合成中的脱羧偶联、季碳构建等反应。
   • 钌（Ru）配合物：如Ru(bpy)₃²⁺，常用于光催化水分解和能量转移反应。
2. 有机染料与共轭分子
   • 吖啶鎓类（如Mes-Acr⁺）：强氧化性，用于C-H键活化和自由基反应。
   • 黄酮类（如Eosin Y）：可见光驱动，用于脱保护基、脱氢偶联等温和反应。
   • 吩噻嗪类（如甲基蓝）：用于芳基硼酸氧化制酚类化合物。

三、复合/新型材料

1. 异质结材料
   • Z型光催化体系：通过界面电荷分离提高光生载流子利用率，如TiO₂/g-C₃N₄、BiVO₄/WO₃等，用于高效产氢和污染物降解。
   • Step-Scheme（S型）异质结：结合氧化还原能力差异，增强光催化活性。
2. 单原子催化剂（SACs）
   • 如Ni单原子负载材料，通过调控活性位点提升CO₂还原和氮还原效率。
3. 纳米结构材料
   • 二维材料（如BP纳米片、MoS₂）和量子点（如CdSe），通过高比表面积和量子限域效应增强光吸收。

应用领域对比

引用来源与扩展阅读

• 更多无机催化剂特性可参考。
• 有机光催化剂合成实例详见。
• 复合材料设计思路可查阅。

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