杨玉蓉 张 坤

(黑河学院 理学院，黑龙江 黑河 164300)

光催化是催化剂吸收光子产生高能电子和空穴，进而引发氧化还原反应的过程[1]。自从1972年Fujishima和Honda在TiO2电极上发现光催化分解水能够制氢，光催化经历了40年的深入研究，现已发展成为半导体物理、表面界面科学、材料科学、计算化学和化学等多学科交叉的太阳能——化学能转化研究领域[2]。

1 光催化水分解反应原理

光催化包括与电荷动力学有关的三个过程，即电荷产生、转移和参加氧化还原反应。这三个过程相辅相成、缺一不可，只有这三个过程都高效完成时，材料的光催化性能才能获得提高。因此，提高光催化反应中各个过程的效率是开发高效新型光催化剂的重要途径。为提高光催化反应过程中每一过程的效率，研究人员经过几十年的努力，开发了多种高效的光催化材料，并提出相应的催化原理。图1是光催化剂全水分解的原理图[3]。半导体光催化剂的全水分解分为三个步骤：一是光催化剂吸收大于材料禁带能量的光子能量，并在整体上产生光激电子-空穴对；二是光激载流子分离并迁移到表面，没有复合；三是被吸附的物种被光生电子和空穴还原和氧化，分别产生H2和O2。为实现全水分解，导带底必须比H+还原为H2的电位更负，而价带顶必须比H2O氧化为O2的电位更正。一方面，热力学上驱动该反应所需的最小光子能量为1.23eV，相当于近红外区约1 000纳米的波长。另一方面，在光催化剂和水分子之间的电荷转移过程中存在活化势垒，只有大于光催化剂带隙能量的光子才能以合理的速率驱动整个水分解反应。……