什么是光催化
光催化（Photocatalysis）是一种在光照条件下，利用光催化剂加速化学反应速率的过程。其本质是光、作为催化剂的固体材料以及被吸附在催化剂表面的反应物分子三者之间的复杂相互作用，最终引发目标物质的化学转化。与传统催化相比，光催化反应的驱动力源自光能而非热能，使其在常温常压下即可进行，具备节能、环保的显著优势。
DOI：10.1038/s41467-025-56314-x
光催化的原理
光催化过程的核心是一个光物理和光化学的耦合过程，通常可分为三个关键步骤：
光吸收与电子–空穴对的产生：光催化剂通常是半导体材料，其电子结构具有价带（Valence Band, VB）和导带（Conduction Band, CB），两者之间存在一个特定的能量差，即能带隙（Band Gap, Eg）。
当照射到催化剂表面的光子能量等于或大于其能带隙时，价带中的电子（e–）会被激发，跃迁至导带，同时在价带留下一个带正电的空穴（h+）。这一过程形成了具有高反应活性的电子–空穴对。
DOI：10.1038/s41467-022-30336-1
载流子的分离与迁移：生成的电子和空穴对在内建电场或浓度梯度的驱动下，会发生分离并向催化剂的表面迁移。这一步骤的效率至关重要，因为电子和空穴极易在迁移过程中发生复合，以热或光的形式释放能量，从而失去催化活性。提高载流子的分离效率是提升光催化性能的关键挑战之一。
表面氧化还原反应：迁移到催化剂表面的电子和空穴是强效的还原剂和氧化剂。导带上的电子可以还原吸附在表面的物质，如氧气（O2），生成超氧根离子（·O2–）。
同时，价带上的空穴具有极强的氧化能力，可以直接氧化吸附的有机污染物，或氧化水分子（H2O）及氢氧根离子（OH–），产生具有极强非选择性氧化能力的羟基自由基（·OH）。这些生成的活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS）是降解污染物、分解水或驱动有机合成反应的主要力量。
理想的光催化剂应具备化学性质稳定、成本低廉、无毒无害等特性。其中，二氧化钛（TiO2）因其优异的稳定性、低成本和高活性，成为研究最广泛、应用最成熟的光催化剂之一。
光催化的类型
根据催化剂材料的性质和作用机制，光催化可分为多种类型，其中最主要的三种如下：
1、半导体光催化(Semiconductor Photocatalysis)
这是最经典且研究最广泛的光催化类型，其工作原理已在前文详述。
代表材料：包括金属氧化物（如TiO2, ZnO,α-Fe2O3）、金属硫化物（如CdS, ZnS）以及非金属半导体（如石墨相氮化碳C3N4）等。
优势：技术成熟，部分材料（如TiO2）成本低、稳定性高，在环境治理领域应用广泛。
局限：许多传统半导体（如TiO2）的带隙较宽，只能吸收紫外光，对太阳光的利用率不足。此外，光生电子–空穴对的复合率高，限制了量子效率的提升。
2、金属有机框架（MOFs）光催化 (MOF Photocatalysis)
MOFs是由金属离子或团簇与有机配体自组装形成的具有周期性网络结构的多孔晶体材料。
代表材料：如UiO-66, MIL-125(Ti)等。
优势：具有极高的比表面积和孔隙率，有利于反应物的吸附和传质；其结构和功能具有高度可设计性，可以通过更换金属节点或有机配体来调控其光电性质。
局限：部分MOFs材料在水溶液或光照下的稳定性较差，且制备成本相对较高，限制了其大规模应用。
3、等离激元光催化(Plasmonic Photocatalysis)
该技术利用贵金属（如金Au、银Ag）纳米颗粒在光照下产生的“局域表面等离激元共振”（LSPR）效应来增强光催化性能。
DOI：10.1038/s41467-025-57569-0
代表材料：通常为负载了贵金属纳米颗粒的半导体复合材料（如Au/TiO2）。
优势：LSPR效应能显著增强催化剂对可见光的吸收；产生的“热电子”可以直接注入半导体的导带，促进电子–空穴对的分离，从而大幅提升催化效率。
局限：贵金属成本高昂，且纳米颗粒的尺寸、形貌和分布需要精确控制，对制备工艺要求较高。
小结
光催化技术作为一种环境友好的前沿科技，通过利用光能实现了从污染物降解到清洁能源生产的广泛应用。尽管在光能利用效率、催化剂稳定性和工业化成本等方面仍面临挑战，但随着新材料的不断涌现和机理研究的深入，特别是金属有机框架和等离激元等新型光催化体系的发展，光催化必将在未来的可持续发展中扮演越来越重要的角色。
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