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关于光催化研究的意义和方向,我们仍在探索

发布时间:2022-09-07 点击次数:106
光催化是光化学和催化科学的交叉点,一般是指在催化剂参与下的光化学反应。半导体材料之所以具有光催化特性,是由它的能带结构所决定。半导体的晶粒内含有能带结构,其能带结构通常由一个充满电子的低能价带(valent-band,VB)和一个空的高能导带(conduction band,CB)构成,价带和导带之间由禁带分开,该区域的大小称为禁带宽度,其能差为带隙能,半导体的带隙能一般为0. 2 ~3. 0 eV。当用能量等于或大于带隙能的光照射催化剂时,价带上的电子被激发,越过禁带进入导带,同时在价带上产生相应的空穴,即生成电子/空穴对。由于半导体能带的不连续性,电子和空穴的寿命较长,在电场作用下或通过扩散的方式运动,与吸附在催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应,或者被表面晶格缺陷俘获。空穴和电子在催化剂内部或表面也可能直接复合。因此半导体光催化关键步骤是:催化剂的光激发,光生电子和空穴的迁移和俘获,光生电子和空穴与吸附之间表面电荷迁移以及电子和空穴的体内或表面复合。光催化反应的量子效率低是其难以实用化最为关键的因素。光催化反应的量子效率取决于电子和空穴的复合几率,而电子和空穴的复合过程则主要取决于两个因素:电子和空穴在催化剂表面的俘获过程;表面电荷的迁移过程。
 
早期光化学家认为光是一种特殊的、能够产生某些反应的试剂。早在1843 年Draper发现氢与氯在气相中可发生光化学反应。1908年Ciamician利用地中海地区的强烈的阳光进行各种化合物光化学反应的研究,只是当时对反应产物的结构还不能鉴定。到60年代上半叶,已经有大量的有机光化学反应被发现。60 年代后期,随着量子化学在有机化学中的应用和物理测试手段的突破(主要是激光技术与电子技术),光化学开始飞速发展。现在,光化学被理解为分子吸收大约200至700纳米范围内的光,使分子到达电子激发态的化学。由于光是电磁辐射,光化学研究的是物质与光相互作用引起的变化,因此光化学是化学和物理学的交叉学科。
 
相应于热化学,光催化有机合成反应的特点如下:
1)光是一种非常特殊的生态学上清洁的“试剂";
2)光化学反应条件一般比热化学要温和;
3)光化学反应能提供安全的工业生产环境,因为反应基本上在室温或低于室温下进行;
4)有机化合物在进行光化学反应时,不需要进行基团保护;
5)在常规合成中,可通过插入一步光化学反应大大缩短合成路线。 因此,光化学在合成化学中,特别是在天然产物、医药、香料等精细有机合成中具有特别重要的意义。
 
光催化的研究方向:
1)水污染治理
随着工业化和现代化的不断发展,环境污染问题日趋严重,水污染是其中重中之重。相比传统水污染治理方法,光催化法绿色环保、无二次污染。除了常见的各种染料,如亚甲基蓝 (MB)、罗丹明 B (RhB)、甲基橙 (MO) 等,其他无色的污染物,比如苯酚、双酚 A(BPA),或者各种抗生素农药等都可以降解掉。此外,光催化还可以将水体中的有毒重金属离子,如 Cr6+、Pt4+、Au3+ 等还原为低价离子,减弱其毒性。
 
2)水分解
传统的化石能源储量有限,且燃烧后会造成温室效应和环境污染,如何制造清洁可再生能源是研究热点。利用光催化将水分解为 H2 和 O2,用氢能源取代化石能源,生态环保、成本低。但目前产氢效率还比较低,距离实际工业化应用还有很长的路要走。
 
3)CO2 还原
随着大气中 CO2 浓度不断增加,温室效应越发明显,*端气候频发,如何降低大气中 CO2 含量是函待解决的重大问题。利用光催化技术,将 CO2 还原为甲烷、甲醇、甲酸等有机化合物,具有很高的应用价值。
 
4)空气净化
空气中含有的污染物主要有氮氧化物 (NO2,NO 等),硫氧化物(SO2,SO3 等),各种挥发性有机化合物(甲苯、苯、二甲苯、*醛、乙醛等)。目前处理空气污染常见方法为物理吸附或者借助贵金属降解,物理吸附适用面广,但只适合于浓度较高污染物;贵金属降解成本高,且条件苛刻,耗能高,效率低,只适用于有经济条件的工厂。光催化作为一种新型的绿色环保技术,成本低,适用面广,显示出广阔应用前景。
 
5)抗菌
抗菌材料分为有机和无机两类,而有机材料抗菌性弱、耐热性差、稳定性较差等特点限制了其使用,并逐渐被无机抗菌材料取代,而负载有银、铜等金属离子的无机杀菌剂能使细胞失去活性,但细菌被杀死后,可释放出致热和有毒的组分,如内毒素。而 TiO2 等光催化剂不仅能杀死细菌,还能彻底降解有毒组分。
 
6)有机合成
传统有机合成经常使用到有害有毒或者危险试剂,且一些反应条件苛刻,而光催化有机合成反应条件温和,具备高选择性,简单环保,成为有机合成研究热点。目前,光催化在有机合成中的应用有:
(1)醇,胺,烯烃和烷烃的氧化或芳香族化合物羟基化反应;
(2)用亲核试剂活化、官能化 α-C-H 键以构建新的 C-C 或 C-X(X = O,N 或 S)键;
(3)将硝基苯还原成氨基苯或偶氮苯等等。
 
当然光催化的研究方向绝不止上面提到的这些,比如自清洁、太阳能电池等等。总而言之,光催化是一个充满朝气与挑战的领域,其中一些技术能实现大规模生产和应用的话,将对人类生活带来莫大的改善。
 

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