2024年2月8日发(作者：)

1、光催化原理是：半导体能带不是连续的，价带（VB）和导带（CB）之间存在一个禁带，当用能量等于或大于禁带宽度的光照射半导体时，其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，即电子-空穴对。TiO2表面上光生电子和空穴的复合是在小于10-9秒的时间内完成的，因此光生电子和空穴会在TiO2体内或表面重新合并，使光能以热能的形式发散。

TiO2 + hv →e- + h+

e- + h+→N +energy

当存在合适的俘获剂或表面缺陷时，电子与空穴在TiO2表面重新复合受到抑制，就会在TiO2表面发生氧化还原反应。价带空穴是很强的氧化剂，不同的半导体在不同的pH值下空穴的电位为+1.0～+3.5V（相对于标准氢电极NHE）；而导带电子是良好的还原剂，电位是+0.5～-1.5V。大多数有机物的光催化降解都是直接或间接利用空穴的氧化能力，但是，为了防止电荷积累，必须有还原物质与电子作用。

一般，吸附在TiO2表面的O2可以通过捕获电子，形成超氧离子而阻止电子与空穴的复合

O2 +e- →O2-

超氧离子在溶液中通过一系列的反应形成H2O2：

2•OOH → H2O2 + O2

•OOH + O2•- → O2

+ H2O-

H2O- + H+ → H2O2

由以下反应均可使产生羟基自由基：

H2O2 → 2•OH

H2O2 + O2•- →•OH + OH- + O2

H2O2 + e- →•OH + OH-

光生空穴的能量为7.5eV,有很强的得电子能力，使不吸收光的物质也被氧化。

对于不同的体系，空穴可以直接氧化或间接氧化有机污染物，甚至可能同时直接和间接氧化有机污染物。间接氧化时，光生空穴与TiO2表面吸附的H2O或OH-离子反应生成氧化能力极强的羟基自由基•OH（氧化电位为2.8eV），•OH对作用物几乎无选择性。

H2O＋ h+ →•OH + H+

OH- ＋ h+→•OH

2、带隙：导带的最低点和价带的最高点的能量之差。也称能隙。带隙超过3ev的被认为是宽带隙半导体，例如GaN、SiN和ZnO，小于3ev的就是窄带隙。带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也就越低。

锐钛矿TiO2带隙较宽(3.23eV)，只能被波长小于387nm的紫外光所激发产生光催化活性。而紫外光的能量仅仅占太阳光的总能量的4％，这样使得太阳光的利用率很低。因此TiO2的应用受到严重的限制和发展。目前，研究者大多数是通过过渡金属元素或非金属元素掺杂，有机染料表面修饰，以及贵金属沉积等方法使TiO2在可见光区（可见光占太阳光的总能量的43％）实现光催化。其中掺杂是一种

有效并且易于实现的方法。由于杂质原子的引入，掺杂可能导致其能带结构发生（1）增加过渡能级（2）缩小能带间隙两种变化。这两变化都能有效减少价带中电子跃迁到导带的能量，从而使它们吸收带红移。金属掺杂起步比较早，研究的比较多，而非金属掺杂研究的不是很多。