碳量子点BiOCl复合材料的光催化性能研究(4)
光生载流子的复合和分离迁移相互影响决定着光催化材料的应用效率。当存在合适的表面缺陷态、俘获剂或其它作用时，可抑制电子与空穴重新复合而发生湮灭这一过程，降低电子和空穴复合的几率。导带中存在的光生电子还原能力非常强，价带中的空穴则具有良好的氧化能力。因此，光生电子空穴可以直接与吸附在催化剂表面的有机物发生氧化还原反应，从而降解有机污染物。
1.3 光催化剂种类
基于能带理论使半导体光催化机理完美解释了绝大部分半导体光催化材料所作出的反应行为，在另一方面，光催化材料也基于半导体的能带理论而越来越多地被设计、合成出来。这些半导体光催化剂品种很多，分类方法各不相同。按照材料状态和体系来分，目前已知的光催化剂主要可以分成九大类：简单氧化物、硫化物及氧硫化物、复合氧化物、卤化物和卤氧化物、氮化物或氮氧化物、金属单质及金属有机配合物、复合体系、掺杂体系、固溶体等。
光催化剂种类 代表性物质
简单氧化物 TiO2、ZnO、WO3、Bi2O3、Cu2O、Fe2O3、Ta2O5
硫化物及氧硫化物 CdS、Bi2S3、ZnS、ZnIn2S4、CuIn2S4、Sm2Ti2S2O5
复合氧化物 Bi2WO6、BiVO4、YVO4、CaBi2O4、Ag3PO4
卤化物和卤氧化物 BiOCl、BiOBr、BiOI、AgCl、Bi3O4Cl
氮化物或氮氧化物 GaN、InN、C3N4、TaON、LaTiO2N、Y2Ta2O5N2
金属单质及金属有机配合物 Pt、Ag、Au、Fe、S、酞菁铜、三联吡啶氯化钌等
复合体系 SnO2/TiO2、SiC/TiO2、Bi2WO6/TiO2、聚吡咯/TiO2
掺杂体系 TiO2:N3-、TiO2:F-、TiO2:Fe2+、TiO2:Er3+、Bi2WO6:Fˉ等
固溶体 Zn1-xCdxS、Zn1-xInxS、Cu1-xInxS、Cd1-xZnxS
表1-1 光催化剂种类及代表
1.4 影响光催化性能的因素
虽然当今已开发出的光催化材料的体系数量非常庞大，但这些光催化剂的活性却直到如今仍然能满足实际商业产品的需求。在诸多原因中，光催化活性是一个重要因素。从对太阳光的吸收利用效率来看，存在的缺陷主要包括以下两点：一是大部分光催化材料的光吸收波长主要集中在紫外区，所以波长范围较窄，因此现时代光催化半导体材料对太阳光的利用率低。二是光生载流子的量子效率很低，这全都归结于载流子的复合几率高。就以上两点成为了该技术在实际广泛运用中的主要阻碍。所以必须要对影响光催化剂活性的各种因素及其作用方式先进性了解，以便有针对性地进行翠环材料的设计，从而改进材料的光催化活性并使其得到提升。“多相光催化”反应，对其造成影响的因素非常复杂，其中包含了一系列繁琐繁杂的表面物理化学过程。对其基本可以分为内因和外因。内因所包含的有光催化材料其本身性质比如光催化材料的晶体结构、粒径大小、形态、比表面积以及表面态等，而外因所包含的有在光催化过程中的外界反应条件，如有机污染物的浓度、光照条件、反应温度、溶液的 pH 值、和光催化材料的加入量等。
1.5 光催化材料自身性质
(1)晶体结构
光催化材料的晶体结构（晶型、晶格缺陷及晶面等）对其光催化活性有重要影响。以 TiO2 为例，它具有三种晶型：板钛矿相、锐钛矿相和金红石相。其中，板钛矿相属于正交晶系，属亚稳态晶型，很少用作光催化剂。用作光催化的主要有锐钛矿相和金红石相两种晶型结构，其中又以锐钛矿相的光催化活性最高。锐钛矿相比金红石相具有更高光催化活性的原因在于：(1) 金红石相的带隙较小（锐钛矿相和金红石相的禁带宽度分别为3.2 eV 和3.0 eV），导致其导带位置比锐钛矿相偏低(图1-3)，因此导带内光生电子还原 O2 产生•O2ˉ自由基的能力比较低[13，14]; (2) 锐钛矿相晶格内有较多的缺陷和位错，能够产生更多的氧空位来俘获电子，从而延长了载流子的寿命；(3) 锐钛矿相表面羟基化程度大大高于金红石相，而表面羟基基团能够俘获空穴，产生•OH 自由基，同时可以像抓手一样有效地捕捉 O2 分子和有机物分子; (4) 在结晶过程中锐钛矿相的晶粒尺寸通常比较小，比表面积比较大，拥有较多的活性点位，从而有利于光催化反应。