BiO系化合物的微结构可控合成表征及光催化性能研究(3)
1.2.2 半导体光催化剂的催化机理
纳米半导体粒子可以作为光催化剂，首先是由于其量子尺寸效应的存在将使半导体粒子的禁带宽度变宽，同时又导致导带电位变得愈负，而价带电位变得愈正。这便使纳米半导体粒子获得了很强的氧化还原能力，其次纳米粒子具有常规材料所无法比拟的大比表面积，举例说明即：一粒米粒大小的纳米材料其表面积就相当于一个足球场那么大[3]，如此大的比表面使纳米半导体粒子产生的具有氧化效应的电子与空穴具有更大的与吸附污染物接触反应的能力，这将使其催化效率提高非常多，而且，纳米尺寸使电子与空穴复合的几率变小，强化电荷分离效果，从而导致催化活性的提高。综上所述，说明纳米半导体有成为光催化剂的理论基础。
由于半导体的带隙（Eg）与光吸收阈值（K）具有下式：
K=1240/Eg(eV)
的关系,因此目前最常用的宽禁带半导体（例如TiO2）的吸收波长阈值都在紫外区域。一般的，半导体光催化剂在特定波长的光照射下，当照射光子的能量高于该半导体吸收阈值时,其价带电子将发生带间跃迁（即从价带跃迁到导带），价带上的电子吸收光子后，跃迁到导带，然后使价带上产生空穴，从而产生光生空穴和电子。
此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧获得这些激发态的电子形成超氧负离子（O2-）,而空穴将夺去吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水的电子，使其氧化成为氢氧自由基。这些氢氧自由基和超氧负离子具有很强的氧化性,能将绝大多数的有机物氧化至最终产物即：二氧化碳和水,不仅如此，甚至连一些无机物也能被彻底分解掉[4]。如图1-1。
1-1 纳米光催化剂的光催化机理图。
1.2.3 半导体光催化的应用技术
光催化是指利用纳米半导体光催化剂在要降解的溶液或气体中，受紫外线或可见光激发产生的空穴和电子，与水或氧发生电子转移，而形成的具有强氧化能力的氧负离子和氢氧自由基而降解并除去水中污染物的过程。光催化净化技术在治理并净化废水污水中有机污染物的过程中，能够直接把水中的有机污染物分解成二氧化碳和水等最终产物，净化效果非常彻底。由于其直接利用水中氢氧根和溶解的氧气，在空穴和电子的诱导下，形成具有强氧化性的而氢氧自由基和超氧负离子，并作为氧化剂，在常温、常压下就能够达到反应的目的。同时纳米半导体光催化剂的化学性质非常稳定，而且无毒无害，成本低廉，并且不会因为产生吸附饱和现象而影响催化效果，更加延长了催化剂的寿命。
光催化净化技术的优点在于具有很高的降解率、对环境友好、无副产物、成产及应用成本低、操作简便、原料来源广泛，同时利用太阳光为反应光源，真正达到节能而且环保的绿色化学的宗旨 [5]，因此纳米光催化技术可利用于生物污染和工业污染的空气和水质的治理和净化方面展现出了巨大的应用前景。
常见的光催化剂中TiO2的综合性能最为突出而且应用最为广泛，应用最广，除此之外还有 ZnO,CdS,WO3等目前在光催化领域已经较为成熟。最初在1972年Fujishima和Honda发现，受光照辐照的TiO2具有持续与水发生氧化还原反应的特性，并且会产生H2，此后人们便对光催化反应开始了大量研究与讨论【6】。结果发现，TiO2作为第一个光催化剂，具有十分优异的抗光腐蚀性和催化活性，同时化学稳定性好，制备简单，原料来源容易，无毒无害，是目前科学界公认的最优光催化剂。光催化反应技术不仅在污水和废水的净化治理方面具有很大进步空间，同样在空气质量日益恶化的今天，空气净化领域同样具有广阔的市场前景。
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