自从1972年Fujishima和Honda教授偶然发现TiO2可以光分解水制氢并在Nature杂志上发表论文后，越来越多的人们开始关注光催化的研究。70年代末Frank和Bard[1]又发现了TiO2在紫外光照射下可以降解水中的氰化物，随后人们开始将光催化应用于环境污染控制领域。Hoffmann等人详细地阐述了半导体光催化在整个环境保护领域的应用情况。

虽然光催化技术在光分解水制氢方面的研究并未得到较大的成功，但是在环境治理和污染物净化方面的研究却取得了诸多成果，并且发展迅速。目前看来，光催化材料体系主要可以分为以下几种类别：

1 复合半导体光催化剂

由两种或者两种以上的材料在能带合适的前提下结合在一起而制备出来的光催化剂，复合的新材料既能有效调节单一材料的性能，又会产生出许多新的光化学、光物理方面的特性。当光子激发能较高，半导体间均可发生带间的电子跃迁。由于不同半导体价带和倒带的能级差异，空穴和电子分别聚集在不同的半导体上从而分离载流子，提高光子效率；当光子激发能较低时，仅能激发导带高的电子跃迁至导带较低的半导体上，从而是电子与空穴分离，可被吸收的光的波长范围增加至可见光区。近几年来，对二元半导体复合进行了许多研究，如TiO2/CdS、TiO2/PbS、TiO2/WO3、CdS/Zno、ZnO/ZnS等。这些复合半导体的光催化性能都高于单一半导体。

2 过渡金属掺杂光催化剂

掺杂过渡金属原子到半导体催化剂中，由于过渡金属原子具有较多未饱和的d轨道，半导体的能级结构会发生改变，从而对光激发产生的光生载流子起到俘获作用，而且可以降低电子跃迁所需的能量。Choi等研究了21种金属离子对TiO2的纳米颗粒，得出其中掺杂Fe3+的效果最好。并认为掺杂物的浓度、掺杂离子的分布、掺杂能级与TiO2能带匹配程度、电荷的转移和复合等因素对催化剂的活性有直接影响。

3 非金属掺杂光催化剂

目前用于半导体光催化剂掺杂的非金属元素主要有氮、硫、卤素和碳，研究得最多的是掺杂氮。非金属离子的掺杂很少形成复合中心，而是通过提升价带位置使半导体的带隙变窄而使其具有可见光吸收。Asahi等人[2将Ti02于N2气氛下高温退火得到TiO2-xNx，其光谱吸收明显的扩展到可见光范围，理论计算表明，氮掺杂Ti02的价带被提升，禁带宽度变窄，其在可见光下显示出了良好的光催化降解有机污染物的性能。

4 贵金属沉积

在半导体表面负载贵重金属，可以改变半导体材料的表面性质从而提高光催化反应的性能。在半导体受光激发后，由于金属的功函数比半导体材料的功函数高，电子迁移到负载的贵金属上并被捕获，抑制了电子-空穴对的复合，从而提高了光催化反应的效率。贵金属沉积的主要方法有浸渍还原法光还原法和浸渍还原法[3]。

5 表面光敏化

光催化发生时，由于常用的半导体无法吸收能量比禁带Eg小的可见光，所以对太阳光的利用率很低，只有4%左右。因此，如何增大太阳光的吸收率，成为光催化材料的一个重要研究内容。半导体光催化材料的光敏化就是增大太阳光吸收的一个途径，，表面光敏化是指将光活性物质通过化学吸附或物理吸附于光催化剂表面，使激发态的电子转移到催化剂的导带上，从而激发光催化过程。使半导体可以吸收较长波长的光，提高太阳光的利用率，进而提高光催化的效率。Stafford[4]等发现具有羧基取代基的光活性物质能化学吸附在TiO2表面。这些物质在可见光下具有较大的激发基团，可以扩大TiO2的激发波长范围，提高太阳光利用率。

半导体光催化技术发展四十多年来，已经被广泛研究并应用于空气净化、废水处理、分解水制氢等方面。

1、空气净化

环境中的气态污染物，按成份可分为VOCs（挥发性有机物，包括低碳数有机溶剂、苯和卤代烃等）、硫氧化合物、氮氧化合物等。随着人们生活水平的提高和工业的快速发展，VOCs的排放量与日剧增，并且排放量大、毒性强，甚至部分致畸、致癌作用。传统的处理方法存在高能耗，易产生二次污染等问题。所以有机废气处理一直存在着较大难题。

如今，空气污染已成为人们普遍关注的问题。国务院最近发布的公告中明确要求将PM2.5 检测工作推广到全国各主要城市，国际上已经开始尝试用光催化法去除有机废气。光催化氧化法在常温常压环境下能将有机废气分解为CO2、H2O和无机物质，反应快速高效且无二次污染，已经成为废气治理技术中一个重要的研究方向。目前。光催化对于氮氧化合物的降解也取得了较好的进展。

2、废水处理

环境中的废水污染，从来源分包括工业废水、农业废水、生活废水等；工业废水包括：染料废水、医药废水、含油污水以及重金属废水等；农业废水主要是农药残留；生活废水如药物和日用品废水等。这些污染物大多为环境自身难以有效降解或需要很长时间进行降解。半导体光催化剂在合适的光照射下，形成具有强氧化性和还原性的光生电子-空穴对和羟基自由基，并与吸附其表面的物质发生氧化还原反应，对这些物质进行有效的分解，从而实现降解、消毒、脱色、除臭等效果。因此，半导体光催化在环境污染治理方面具有重要的应用前景[5]。

参考文献

[1] Frank S N，，Bard A J. Heterogeneous photocatalytic oxidation of cyanide ion in aqueous solution at TiO2 power. J Am Chem Soc， 997 ，99：303.

[2] Asahi R，Morikawa T，Ohwaki T，et al.Visible-light Photocatalysis in nitrogen-doped titanium dioxide[J].Science，2001，293：269-271.

[3] Serpone N.，Texier L，Emeline A.V.et al.Post-lrradiation Effect and Reduetive Dechlorination of ChloroPhenols at Oxygen-Free TiO2/Water Interfaces in the Presence of ProminentHol Scavefgers[J].Photochem Photobiol A.2000，136（3）：145-152.

[4] Stafford U.，Gray K.A.，Kamat P.V.，photocatalytic degradation of 4-chlorophenol：The effects of varying TiO2 concentration and light wavelength[J].J.Catal.，1997，167：25-32.

[5] Fox M A， Dulay M T. Heterogeneous photocatalysis[J]. Chem. Rev.， 1993， 93（1）：341-357.