碳量子点BiOCl复合材料的光催化性能研究(6)
比表面积的增大能够增加材料表面的反应活性位数量，增加对污染物和光的吸收，从而有利于光催化性能的提升。其次，当颗粒的尺寸为 1～10 nm 时，电子能级由准连续变为离散能级，半导体纳米粒子存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，带隙变宽，此现象即量子尺寸效应(quantum size effect,QSE)。量子尺寸效应会导致材料的光吸收边蓝移，并有十分明显的禁带变宽现象[26,27]。
根据能带理论，材料的禁带宽度是由导带和价带位置共同决定的，禁带宽度的增大必然对应着导带位置和价带位置相互远离。具体地，量子尺寸效应使导带和价带能级分立，并使导带电位更负，价带电位更正，从而导致催化剂的电子-空穴对氧化还原能力增强。但同时也要注意到，当粒径减小到一定程度时，半导体的载流子将被限制在一个小尺寸的势阱中，单位时间内吸收的光子数量减少，对光的利用率降低，导致光催化活性降低。因此，在实际过程中要选择一个合适的粒径范围。
除此之外，粒径减小还可以使光生电子与空穴从催化剂内部扩散到催化剂表面的时间缩短，从而有效抑制了光生载流子的复合。 Hagfeldt 等[23]人采用载流子随机取向模型从理论上研究了光生载流子从颗粒内部扩散到表面所需的时间，得到了下面的公式：
τd = r2 / (π2D) (1-6)
其中，τd 是光生载流子从颗粒内部扩散到表面所需要的时间，r 是颗粒的半径，D 是载流子的扩散系数。从方程(1-6)可以看出，材料内部产生的光生电子和空穴扩散到表面所需要的时间，与颗粒半径的平方成正比。也就是说，催化剂的粒径越小，光生电子和空穴从催化剂体内扩散到表面的时间越短，它们在催化剂体内的复合几率越小，到达表面的电子和空穴数越多，光催化活性越高。
(4)表面态
由于光催化作用是一种表面行为，它主要在光催化剂的表面发生。因此，光催化剂的表面状态必然会对光催化性能产生极大的影响。目前研究的晶体表面状态主要有表面基团和表面氧空位。
对于任意一种晶体材料而言，晶体内部原子和表面原子的键合状态之间通常存在比较大的差别。内部原子基本处于化学键饱和状态，而表面原子则处于化学键不饱和状态。此时为了降低自身的表面能，晶体表面往往会吸附其他物质分子或离子形成新的化学键合，使得晶体表面往往覆盖着大量的化学基团。
这些表面化学基团的存在对于光催化剂表面的吸附行为和自由基反应都会产生显著的影响，进而影响光催化性能。迄今为止研究比较多的表面基团是表面羟基(−OH 基团)，它具有多种功能[28]，一方面它能够和暴露在外的活性晶面形成化学键合，使得这些活性晶面稳定存在；另一方面它可以有效地捕捉 O2 分子、H2O 分子和有机物分子，提高自由基反应的速率，进而提高光催化降解速率。
此外有研究表明，表面−OH 基团能够有效俘获空穴，然后与催化剂表面吸附的H2O分子进行反应生成-OH自由基。以往的氘同位素试验和电子顺磁共振(ESR)的研究均已证明，•OH自由基是光催化体系中的主要氧化剂，它具有很强的氧化性，几乎可以将所有的有机物氧化分解。
氧空位是光催化材料中另外一种常见的表面态，它对于催化剂表面对有机物和H2O 分子的吸附和解离起着重要的作用，从而影响光催化性能。Xia 等[33]采用扫描隧道显微镜(Scanning tunnel microscopy,STM)技术和密度函理论计算详细研究了TiO2(110)晶面内氧空位与丙酮分子的相互作用。
Schaub课题组[34]则通过理论计算和实验相结合的方法对TiO2(110)晶面内氧空位与 H2O 分子的相互作用进行了分析，发现表面氧空位能够与吸附的H2O 分子相互作用，并将其离解成•OH 自由基。此外，叶金花课题组[35]发现，氧空位的存在可以促进SrTiO3-δ 对CO2 分子的吸附，从而提高光催化还原CO2 的性能。