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    關于光催化研究的意義和方向,我們仍在探索

    發布時間:2022-09-07 點擊次數:65
    光催化是光化學和催化科學的交叉點,一般是指在催化劑參與下的光化學反應。半導體材料之所以具有光催化特性,是由它的能帶結構所決定。半導體的晶粒內含有能帶結構,其能帶結構通常由一個充滿電子的低能價帶(valent-band,VB)和一個空的高能導帶(conduction band,CB)構成,價帶和導帶之間由禁帶分開,該區域的大小稱為禁帶寬度,其能差為帶隙能,半導體的帶隙能一般為0. 2 ~3. 0 eV。當用能量等于或大于帶隙能的光照射催化劑時,價帶上的電子被激發,越過禁帶進入導帶,同時在價帶上產生相應的空穴,即生成電子/空穴對。由于半導體能帶的不連續性,電子和空穴的壽命較長,在電場作用下或通過擴散的方式運動,與吸附在催化劑粒子表面上的物質發生氧化還原反應,或者被表面晶格缺陷俘獲??昭ê碗娮釉诖呋瘎﹥炔炕虮砻嬉部赡苤苯訌秃?。因此半導體光催化關鍵步驟是:催化劑的光激發,光生電子和空穴的遷移和俘獲,光生電子和空穴與吸附之間表面電荷遷移以及電子和空穴的體內或表面復合。光催化反應的量子效率低是其難以實用化最為關鍵的因素。光催化反應的量子效率取決于電子和空穴的復合幾率,而電子和空穴的復合過程則主要取決于兩個因素:電子和空穴在催化劑表面的俘獲過程;表面電荷的遷移過程。
     
    早期光化學家認為光是一種特殊的、能夠產生某些反應的試劑。早在1843 年Draper發現氫與氯在氣相中可發生光化學反應。1908年Ciamician利用地中海地區的強烈的陽光進行各種化合物光化學反應的研究,只是當時對反應產物的結構還不能鑒定。到60年代上半葉,已經有大量的有機光化學反應被發現。60 年代后期,隨著量子化學在有機化學中的應用和物理測試手段的突破(主要是激光技術與電子技術),光化學開始飛速發展?,F在,光化學被理解為分子吸收大約200至700納米范圍內的光,使分子到達電子激發態的化學。由于光是電磁輻射,光化學研究的是物質與光相互作用引起的變化,因此光化學是化學和物理學的交叉學科。
     
    相應于熱化學,光催化有機合成反應的特點如下:
    1)光是一種非常特殊的生態學上清潔的“試劑";
    2)光化學反應條件一般比熱化學要溫和;
    3)光化學反應能提供安全的工業生產環境,因為反應基本上在室溫或低于室溫下進行;
    4)有機化合物在進行光化學反應時,不需要進行基團保護;
    5)在常規合成中,可通過插入一步光化學反應大大縮短合成路線。 因此,光化學在合成化學中,特別是在天然產物、醫藥、香料等精細有機合成中具有特別重要的意義。
     
    光催化的研究方向:
    1)水污染治理
    隨著工業化和現代化的不斷發展,環境污染問題日趨嚴重,水污染是其中重中之重。相比傳統水污染治理方法,光催化法綠色環保、無二次污染。除了常見的各種染料,如亞甲基藍 (MB)、羅丹明 B (RhB)、甲基橙 (MO) 等,其他無色的污染物,比如苯酚、雙酚 A(BPA),或者各種抗生素農藥等都可以降解掉。此外,光催化還可以將水體中的有毒重金屬離子,如 Cr6+、Pt4+、Au3+ 等還原為低價離子,減弱其毒性。
     
    2)水分解
    傳統的化石能源儲量有限,且燃燒后會造成溫室效應和環境污染,如何制造清潔可再生能源是研究熱點。利用光催化將水分解為 H2 和 O2,用氫能源取代化石能源,生態環保、成本低。但目前產氫效率還比較低,距離實際工業化應用還有很長的路要走。
     
    3)CO2 還原
    隨著大氣中 CO2 濃度不斷增加,溫室效應越發明顯,*端氣候頻發,如何降低大氣中 CO2 含量是函待解決的重大問題。利用光催化技術,將 CO2 還原為甲烷、甲醇、甲酸等有機化合物,具有很高的應用價值。
     
    4)空氣凈化
    空氣中含有的污染物主要有氮氧化物 (NO2,NO 等),硫氧化物(SO2,SO3 等),各種揮發性有機化合物(甲苯、苯、二甲苯、*醛、乙醛等)。目前處理空氣污染常見方法為物理吸附或者借助貴金屬降解,物理吸附適用面廣,但只適合于濃度較高污染物;貴金屬降解成本高,且條件苛刻,耗能高,效率低,只適用于有經濟條件的工廠。光催化作為一種新型的綠色環保技術,成本低,適用面廣,顯示出廣闊應用前景。
     
    5)抗菌
    抗菌材料分為有機和無機兩類,而有機材料抗菌性弱、耐熱性差、穩定性較差等特點限制了其使用,并逐漸被無機抗菌材料取代,而負載有銀、銅等金屬離子的無機殺菌劑能使細胞失去活性,但細菌被殺死后,可釋放出致熱和有毒的組分,如內毒素。而 TiO2 等光催化劑不僅能殺死細菌,還能徹底降解有毒組分。
     
    6)有機合成
    傳統有機合成經常使用到有害有毒或者危險試劑,且一些反應條件苛刻,而光催化有機合成反應條件溫和,具備高選擇性,簡單環保,成為有機合成研究熱點。目前,光催化在有機合成中的應用有:
    (1)醇,胺,烯烴和烷烴的氧化或芳香族化合物羥基化反應;
    (2)用親核試劑活化、官能化 α-C-H 鍵以構建新的 C-C 或 C-X(X = O,N 或 S)鍵;
    (3)將硝基苯還原成氨基苯或偶氮苯等等。
     
    當然光催化的研究方向絕不止上面提到的這些,比如自清潔、太陽能電池等等??偠灾?,光催化是一個充滿朝氣與挑戰的領域,其中一些技術能實現大規模生產和應用的話,將對人類生活帶來莫大的改善。
     

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