张金龙 吴仕群 朱乔虹

在墙面上涂抹光催化材料，室内的有机污染物就能在光照下被分解；向污水中添加光催化材料，水中的污染物也会被分解成无毒无害的物质；喷涂在幕墙玻璃上的光催化材料可以发挥自清洁作用，让有着“水泥森林”之称的城市建筑成为真正的绿色建筑……

光催化材料的神奇之处还不止于此。它还能通过吸收太阳光催化氧化还原反应，从而将太阳能转化为化学能。

光的作用

1972年，英国的《自然》杂志发表了一篇论文，论文中提出了一种利用二氧化钛电极光解水，从而产生氢气和氧气的方法。可以说，正是这篇论文开创了光催化这一新的研究领域，让以二氧化钛为代表的光催化材料成为化学界的“宠儿”。

二氧化钛为什么能催化水的光解反应？这要从它的结构说起。

二氧化钛是一种半导体，它的能级结构由能量较低的价带和能量较高的导带组成，价带和导带之间的能量差称为带隙能量。至于什么是价带、什么是导带，我们可以打个比方来帮助理解。价带好比河流的下游，导带好比河流的上游，而电子就好比河流里的小船。当没有外加能量时，由于水流的作用，小船都聚集在下游，即当半导体材料處于基态时，电子全部分布在价带上。当小船外加足够的能量开动起来，逆流而上，也能行驶到河流的上游。类似地，当半导体材料受到足够能量的激发，电子就能从价带跃迁到导带上，所需要的这部分能量就是带隙能量。