光子激发原理参考光触媒反应原理(二)纳米仿生技术

-光触媒-通俗的说，催化剂就是催化剂，光触媒顾名思义就是光触媒。催化剂是加速化学反应的化学物质，它本身不参与反应。光触媒是在光子激发下能起催化作用的化学物质的总称。粉末光触媒1.起源光触媒技术是一项诞生于1970年代的基础纳米技术。在中国大陆，我们会用通俗的光触媒来指代光触媒。一种典型的天然光催化剂是我们常见的叶绿素，它在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成氧气和碳水化合物。总的来说二氧化钛光催化剂，纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，在环境净化、自清洁材料、先进新能源、癌症医疗、高效抗菌等诸多前沿领域都有应用。 2.材料世界上可以用作光催化剂的材料有很多，包括二氧化钛（TiO2)、氧化锌（ZnO）、氧化锡（SnO2)、二氧化锆（ ZrO2)@)>、硫化镉（CdS）等氧化物硫化物半导体，其中二氧化钛（Titanium 二氧化钛）以其强氧化能力、稳定、非化学性质有毒。硫化镉（CdS）和氧化锌（ZnO）多用作光触媒材料，但由于这两者的化学性质不稳定，光催化作用的同时会发生光解作用，有害金属离子的溶解具有一定的生物毒性，发达国家已很少将其用作民用光催化材料，部分工业光催化领域仍在使用。

二氧化钛是一种具有锐钛矿、金红石和板钛矿三种晶体结构的半导体，其中只有锐钛矿和金红石具有光催化性能。它是一种材料半导体，是世界上产量非常大的基础化工原料。普通二氧化钛一般称为体半导体，以区别于纳米二氧化钛。具有锐钛矿或金红石结构的二氧化钛在一定能量的光子激发下，可使分子轨道中的电子离开价带跃迁到导带[光子激发原理是指光催化反应原理]。结果，在材料的价带中形成光生空穴[Hole+]，在导带中形成光生电子[e-]。在块状二氧化钛中，由于二氧化钛颗粒尺寸较大，光生电子到达导带并开始向颗粒表面移动。它很容易与光生空穴复合，因此我们无法从宏观层面观察光子激发的效果。然而，由于纳米二氧化钛颗粒尺寸小，电子相对容易扩散到晶体表面，导致在晶体不同部位出现极性相反的微畴——光生电子和光生空穴。原本不带电的晶体表面。由于光生电子和光生空穴都具有很强的能量，远高于一般有机污染物分子链的强度，因此有机污染物很容易分解成最原始的状态。

同时，光生空穴还可以与空气中的水分子发生反应，生成羟基自由基，还可以分解有机污染物，杀灭细菌和病毒。这种将一个区域内的两个微区域的性质截然相反并共同达到效果的过程，是纳米技术的典型应用，通常被称为二元论。反应微区称为二元协同界面。从上面的介绍可以看出，二氧化钛的光催化反应过程很大程度上依赖于第一步的光子激发，所以有足够的光子激发二氧化钛提供足够的能量。我们也可以知道二氧化钛光催化剂，光催化反应不是凭空产生的，也需要消耗能量，这符合能量守恒定律。它消耗光子，即光能。如果太阳光照射到光触媒上，就是利用太阳能，而光就是利用光能。联合国已将光催化剂的发展列为21世纪太阳能利用计划的重要组成部分。 3.可以激发二氧化钛的光子 什么样的光子可以激发二氧化钛？在理论结构上，锐钛矿二氧化钛的导带和价带之间的间隙[我们称之为能隙]是3.2eV，而金红石二氧化钛是3.0eV，所以金红石需要光能 光子大于 3.0eV，而锐钛矿需要光子大于 3.2eV。光子的能量与波长λ(λ)/λ成反比关系，由此可知，波长小于380nm的光可以激发锐钛矿型二氧化钛。虽然锐钛矿需要稍多的能量来激发，但同样的锐钛矿二氧化钛光催化剂具有更强的氧化能力，因此应用更广泛。研究表明，当粒径接近7nm时，锐钛矿比金红石更稳定，这也是很多纳米光催化剂采用锐钛矿型的原因。