光催化的科学原理
光催化是一种多学科交叉的研究领域，涉及光化学、半导体物理、材料科学、环境科学等多个学科。
其基本原理是：当光催化剂（如二氧化钛TiO2）受到特定波长的光照射时，光子的能量被吸收，导致价带上的电子跃迁到导带，形成电子-空穴对。
电子在导带中移动，而空穴留在价带中。这些电子和空穴分别与水分子（H2O）和氧气分子（O2）反应，生成羟基自由基（·OH）和过氧化氢（H2O2）。这些自由基具有极强的氧化能力，可以破坏有机物和生物体的化学键，最终将其分解为无害的CO2、H2O及简单无机物。
具体来说，光催化过程包括以下几个步骤：
光吸收：光催化剂吸收光能，激发电子从价带跃迁到导带。
电子–空穴对的产生：电子跃迁后，价带中留下空穴，形成电子-空穴对。
电荷分离与传输：电子和空穴在半导体内部发生分离，并分别向导带和价带移动。
表面反应：电子和空穴在催化剂表面与吸附的物质发生反应，如水分子和氧气分子。
氧化还原反应：电子和空穴分别参与氧化和还原反应，生成具有强氧化能力的自由基。
污染物降解：自由基与有机污染物发生反应，将其分解为无害的产物。
光催化的主要应用领域
环境净化
光催化技术在环境净化方面具有广泛的应用前景。它可用于降解有机污染物、去除大气污染物、减少温室气体排放等。例如，光催化可以用于降解偶氮染料、酸性大红G溶液等工业废水中的有机污染物。
此外，光催化还可以用于空气净化，通过生成羟基自由基和过氧化氢，有效去除空气中的有害气体和细菌。
能源转换
光催化技术在能源转换方面也具有重要意义。例如，光催化可以用于水分解制氢，将水分解为氢气和氧气，从而实现太阳能的高效利用。
此外，光催化还可以用于二氧化碳还原，将二氧化碳转化为甲醇、甲烷等可再生能源。这些技术为解决全球能源危机和温室效应提供了新的思路。
材料科学
光催化技术在材料科学中也有重要应用。例如，光催化可以用于制备具有特定功能的纳米材料，如超薄钯膜、陶瓷釉料等。此外，光催化还可以用于表面改性，提高材料的抗菌、防霉、自清洁等功能。
医疗健康
光催化技术在医疗健康领域也有应用。例如，光催化可以用于杀菌消毒，通过生成具有强氧化能力的自由基，破坏细菌的细胞结构，从而实现杀菌效果。此外，光催化还可以用于治疗某些疾病，如癌症，通过生成ROS（活性氧自由基）来杀死癌细胞。