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1. 二氧化钛光催化研究现状及机理
经过30多年广泛深入的研究，光催化技术仍难以实现太阳能的高效廉价转化。一个主要的原因是以TiO2为代表的一系列半导体光催化剂一般具有较大的禁带宽度(如锐钛矿TiO2的禁带宽度为Eg=3.2 eV)，在紫外光范围内有响应，而波长在400 nm以下的紫外光不足太阳总能量的5%，占太阳光总能量的43%左右的可见光主要集中在400～700 nm波段，这大地限制了它们在可见光照射下的光催化应用。因此，如何充分地利用可见光是工作者亟需解决的问题，设计与开发具有可见光响应的半导体光催化剂是太阳能利用率，终实现产业化应用的关键。具有可见光响应的光催化剂的设计主要有两大思路：一种是基于TiO2具有稳定、高效、低成本等优点，对TiO2进行修饰改性，使其光响应波长拓展并红移至可见光区，通过直接吸收太阳能进行光催化作用。另一种思路是设计新型的可见光响应型半导体材料，它能在可见光范围内被直接激发产生光生载流子，具有较好的光催化活性而能直接应用于可见光光解水及有机污染物的降解等。新型可见光半导体一般是过渡金属的化合物或络合物以及三元或多元氧化物，带隙约在2.0-3.0 eV，能被波长410-620 nm的光照所激发，而此波段覆盖了大部分可见光。因此，可见光半导体的开发使直接充分利用太阳光进行光催化分解水和降解有机污染物成为可能。
2.光催化基本原理
被广泛研究的用作光催化的半导体大多为金属氧化物或者硫化物，半导体的能带结构通常是由一个充满电子的价带(valent band, VB)和一个空的高能导带(conduction band, CB)构成，价带和导带之间的区域称为禁带，区域的大小称为禁带宽度。半导体的禁带宽度一般为0.2～3.0 eV，是���个不连续区域。半导体的光催化特性就是由它的特殊能带结构所决定的。当用能量等于或大于半导体带隙能的光波辐射半导体光催化剂时，处于价带上的电子(e-)就会被激发到导带上并在电场作用下迁移到粒子表面，于是在价带上形成了空穴(h+)，从而产生了具有高活性的空穴/电子对。空穴可以夺取半导体表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本不吸光的物质被激活并被氧化，电子受体通过接受表面的电子而被还原。
那么，光生载流子(光生电子和空穴)在光照作用下是如何被激发和产生的，在激发后又是如何与吸附分子相互作用的等等，这些都与半导体材料的能带结构有关。同时，这些光生载流子在半导体内和表面的活动方式又直接影响其光催化性能。
由图1.1可见光激发后产生的电子和空穴有四种运动途径(A，B，C，D)，其中A和B分别是电子和空穴在半导体表面和内部的再结合过程，这两个过程只是放出热量，对光催化反应没有帮助。途径C是指光生电子逸出到半导体表面，和吸附在半导体表面的物种(在含氧气的溶液中常常是氧)发生还原反应。途径D则是光生空穴迁移到半导体表面和吸附在半导体表面的供电子物种发生氧化反应，将该物种氧化。
Hoffmann[6]等在1994年通过激光闪光光解测量结果，提出了TiO2多相光催化的一般机理：当TiO2受到能量大于其禁带能的光照射时，价带上的电子受到激发越过禁带从价带跃迁至导带，在导带出现光生电子，相应的在价带形成空穴，即形成电子-空穴对。电子-空穴对可以无选择性地直接或间接氧化有机污染物，使有机污染物终被矿化为CO2、H2O、无机酸等，从而对有机物的降解。
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