吕奎霖

（1中国建材检验认证集团股份有限公司 北京 100024）

（2中国建筑材料科学研究总院有限公司＜绿色建筑材料国家重点实验室＞ 北京 100024）

1 光催化技术研究概况

如今，人类社会的发展已经受到了世界能源短缺和严重环境污染问题的极大影响。来自世界各地的政府和科学家正在寻找绿色和可持续的方法来解决上述问题。在潜在的技术解决方案中，基于半导体材料的光催化反应被认为是当下最有效的一个能够解决能源和环境问题的方法[1]。半导体光催化使用不竭的阳光作为反应的驱动力，并使用廉价且无害的半导体材料作为催化反应介质，是清洁、安全且低成本的技术。大多数光催化剂具有特殊的电子结构和半导体材料独特的光学特性[2-3]。其优势为解决人类社会发展问题提供了一个很好的方案。

2 半导体光催化原理

半导体光催化是将半导体材料作为介质，以太阳光驱动其反应。促进反应的过程是指利用光能在物质之间转换的过程。在这个过程中，光能转化为化学能[4]。反应机理如图1所示。带隙结构是半导体材料自身所有的，在特定波长范围内可以对太阳光进行响应。因此，其在特定波长范围的光激发下会产生光生载流子、光生电子和光生空穴。光生电子将集中在半导体的导带（CB）上，而光生空穴将集中在半导体的价带（VB）上，形成氧化还原体系，生成羟基自由基（·OH）和超氧离子自由基（·O：）[5]。

图1 半导体光催化原理示意图

H2O，OH-和O2能很好抑制电子空穴。而·OH和·O2具有强氧化性，能将有机物分解成H2O，CO2和无机分子。

3 常见半导体光催化剂

许多半导体材料表现出一定程度的光催化活性，其中，纳米催化剂在降解污染物、空气净化和化学反应合成等方面作用良好，但大多数单元半导体材料的光能利用率很低[6]。因此，开发更有效的催化材料是光催化研究的主要方向之一。为了解决这一问题，可以采取两种措施：一是制备纳米结构、构建半导体异质结、半导体材料或表面改性及制备多元复合催化材料。二是寻找和开发一种在可见光范围内能直接响应的高催化活性的新型光催化剂[7-8]。因此，窄带隙半导体材料已成为许多人的研究目标。

4 提高光催化活性的途径

有一些因素会影响钒酸铋铋半导体光催化剂的活性：（1）结晶度和缺陷度：晶格缺陷度由半导体光催化剂的结晶度来体现。随着材料的结晶度增加，内部缺陷减少，能有效抑制电子-空穴复合。（2）能带位置：能带结构会影响半导体对光的吸收。带隙越窄，电子跃迁所需的能量越小，可以使用的光的波长范围越大，太阳能的利用率越高。（3）粒径和比表面积：比表面积越大，可反应的活性位点越多，可产生大密度的缺陷态和表面态，从而更好地实现光生电子和空穴的有效分离[9-10]。

有一些方法可以增强钒酸铋的催化活性：（1）掺杂金属离子：将金属离子掺杂到半导体材料中时，引入会重新分布表面电荷，从而显著提高载流子转移、运输和分离的效率，并增强光催化氧化还原反应。（2）形状调节：可以合成更多空心球、纳米管、多孔、纳米棒等结构，使得比表面积和光生载流子的迁移率有所提高，为反应过程增加了很多活性中心。（3）贵金属负载：将光响应范围扩展到通常用作电子受体的可见光区域，也就是说，贵金属能够很容易捕获电子，从而增加了电子与空穴之间的距离并延长了金属的寿命。光生电流改善了光催化活性。（4）半导体复合：在抑制载流子复合的各种方法中，基性异质结复合材料的构建越来越受到重视。由于两种半导体之间的电位差，会产生一个内建电场，形成一种新的电子结构，可以有效地将光生电子和空穴分开，并在空间中转移。光催化技术是当前科学研究领域最受关注的课题之一，许多半导体材料具有一定的光催化性能，但由于太阳能利用率低、量子产率低等问题，限制了其产业化发展和应用，因此，光催化的基础研究主要集中在新型光催化剂的开发和反应活性的提高上。

5 结语

当前，环境和能源形势日趋严峻。太阳能和光催化剂越来越受到人们的重视。半导体光催化技术因其环保、经济、应用范围广而备受关注。光催化剂具有降解水中污染物、减少空气中二氧化碳、获得绿色能源的作用，对能源短缺和环境问题具有重要作用。光催化技术在我们的日常生活中得到了改进和广泛应用，促进了光催化技术在环境治理领域的实际应用。