光催化学科的前沿与发展趋势

亟待解决的重大问题。光催化以其室 温深度反应和可直接利用太阳光作为 光源来驱动反应等独特性能而成为一 种理想的环境污染治理技术和洁净能 源生产技术。
光 催
A
A 还 原
_
hν
导带
化
原
价带
hν= Eg
D 氧 化 D+
理
NHE(pH=0)
hν
导带 激发电子
光 解
0.0eV H+/H2
水
原
1.23eV O2/H2O 价带
（4）光催化应用中的技术难题
如在液相反应体系中光催化剂的负载技术和分离回收 技术，在气相反应体系中光催化剂的成膜技术及光催化剂 活性稳定性问题。
上述关键问题也是目前国内外光催化 领域的研究焦点，围绕这些问题开展进一 步的研究不仅可望在光催化基础理论方面 获得较大的突破，而且有利于促进光催化 技术真正能在上述众多领域得到大规模广 泛工业应用。
Amount of H2 / mmol
1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 0 24 48 72 96 120 150 144
*
Time / hour
Zhibin Lei and Can Li et al, Chem. Commun., 2003, 2142..
2、为解决多相光催化过程效率偏低的问题， 近年来从提高催化剂自身的量子效率和改 进反应过程条件两个方面开展了大量的研 究工作，取得了重要进展。
（4）研究经费：基础研究经费投入少，特别是光催化
分解水方面的基础研究经费极少。
●从上面的分析可以看出，我国的光催化研 究整体上已经进入快速发展期，已成为国 际光催化领域的一支重要研究力量，加上 我国对环境保护、能源开发的巨大需求和 市场背景，进一步加大对光催化基础和应 用研究的支持力度，促进光催化学科的发 展是十分必要的。
光催化自清洁抗菌瓷砖的产业化
● 鉴于本项目的开创性和显著的社会经济效 益，国家计委授予本项目
●我国光催化研究存在的主要问题：
（1）基础研究：系统的、有重大影响的基础研究论文 较少。
（2）应用研究：有自主知识产权的应用研究成果较
少、工程化研究相对滞后。 （3）研究队伍：有物理化学背景的研究人员少；开展 光催化分解水的研究队伍小，发展后 劲不足。
2、发展方向
根据目前我国光催化研究现状和国际 光催化学科的发展趋势，建议国家自然科 学基金委重点支持如下方向的基础研究：
●深入的多相光催化反应机理研究； ●基于分子水平的光催化理论体系的探讨； ●可见光诱导的新型高效光催化剂的研究； ●光催化在环境污染治理、光解水制氢和光催化膜 功能材料等领域的应用基础研究。
三、我国光催化学科的发展现状与 发展方向
1、发展现状
九十年代中期以来，国家自然科学基金委、国 家计委和国家科技部等部门加大了对我国光催化基 础和应用研究的支持力度，组织实施了包括国家自 然科学基金重点项目和国家高技术产业发展项目在 内的一批科研项目，使得近年来我国光催化基础研 究、应用研究及产业化发展十分迅速。
●取得了一批具有自主知识产权的应用研究 成果，为我国光催化高新技术产业群的形 成奠定了坚实的基础，并带动了相关产业 的技术进步。
固体超强酸高效光催化剂的产业化
固体超强酸光催化剂生产车间
生产的固体超强酸光催化剂及系列产品
光催化空气净化器的产业化
光催化空气净化器系列产品
KJ680-LGS
光催化学科的前沿与发展趋势
付贤智
（福州大学光催化研究所）
●光催化学科是催化化学、光电化学、
半导体物理、材料科学和环境科学等 多学科交叉的新兴研究领域。
光催化分解水制氢
H2O
催化剂
→ H2 + ½ O2
hv
环境光催化
C6H6 + 7 ½ O2 催化剂 → 6 CO2 + 3H2O
hv
●环境和能源是二十一世纪人类面临和
● Michikazu Hara等通过氮化Ta2O5合成出窄禁带宽度的半导 体TaON和Ta3N5（2.5eV和2.1eV），使其光吸收带边分别拓 展到500nm和600nm左右，从而具备可见光光催化性能[4]。 ● Masato Takeuchi等[5]采用离子注入法制备Cr掺杂的TiO2， 光吸收带发生红移，可以在可见光下把NO分解为N2和O2。 ●R. Asahi等[6]采用N置换式掺杂得到的TiO2-xNx在可见光条件 下对亚甲基蓝和气态乙醛的光催化活性以及负载型 TiO2-xNx 薄膜的亲水性都高于TiO2。（Science，2001）
●研究队伍急剧扩大，多学科交叉特色显著
最近几年，由于国际上光催化分解水研究的 复苏，特别是环境光催化的崛起，我国许多高等 院校、中科院研究所、部委及军队研究院所都开 展了光催化研究工作。催化化学、光电化学、半 导体物理、材料科学和环境科学等诸多学科的科 研人员都纷纷加入到光催化研究队伍。
光催化研究主要地区分布
全国光催化会议论文和人数变化情况
150
人 数 100 或 论 文 数
50
与会人数 会议论文数
人数或论文数
0
1998
2000
2002
年年限 度
●研究内容与国际同步，研究水平不断提高 ---- 从基础研究到应用研究涵盖了光催化领域的各个 方面。 ---- 一批在日本、美国、加拿大、法国等国家从事光 催化研究的留学人员的陆续回国。 ---- 取得了一批重要的基础研究成果，在国内外重要 学术刊物上发表了大量高水平论文，论文数量估 计每年以30%的速度增长，据不完全统计2002年 达到百篇以上。 ---- 经过近七、八年的快速发展，我国光催化领域的 整体研究力量、研究条件和研究水平已基本上接 近国际水平，与日本、美国和欧洲等国家的差距 已经明显缩小。
O2p h+
VB
VB
NHE
Ti Cr , In
通过掺杂阴离子调变禁带宽度
CB
Ti3d UV Vis N2p O2p eH+/ H2
CB
Vis
UV
O2/OH-
h+ VB NHE
VB
O2- N3- , C4-, S2-, P3-
●采用离子掺杂[10-12]、半导体复合[13-14]、纳米晶粒 制备[15-16]、超强酸化[17-19]等方法，提高光生载流 子的分离效率和抑制电子-空穴的重新复合，在一 定程度上改善了光催化剂的量子效率。 ●值得注意的是，近年来通过外场（电场、微波场 [20-21] 、磁场 [22] 、超声波 [23] 、热场 [24] 等）与光催 化耦合来提高多相光催化过程效率，做了许多有 益的探索。
谢谢
福州大学光催化研究所
h
e ① CB e
红外辐射, 电子态、晶格振动态 之间跃迁衰变过程的信息 荧光辐射，激发态电子和空 穴之间复合的信息
②
③
VB h+ h+
H2O + h+ O2 + H+
通过掺杂阳离子调变禁带宽度
CB
Ti3d CB
eH+/ H2
Vis
UV
O2/OH-
Cr3d
UV
Vis
2、学科发展方向
从理论和应用上解决可见光光催化和提高 光催化过程效率这两个重大难题，应是光催化 学科的发展方向。
前沿课题和研究重点：
（1）可见光诱导并具有高量子效率的新型光催化剂研制
（能带调变，非TiO2光催化剂）； （2）多相光催化反应机理研究及形成基于分子水平的光 催化理论体系的探讨（原位表征和超快 时间分辨技 术研究光生载流子的迁移传输规律）；
光吸收
生成空穴
理
●光催化技术在众多领域具有广阔的应用
前景和重大社会经济效益
洁净能源 空气、水净化
国防军事
医疗卫生
光催化技术
建筑材料 家用电器
纺织工业 汽车工业
●光催化受到科学界、政府部门及企业界的
高度重视，投入了大量的资金和研究力量 开展光催化基础理论、应用技术开发及工 程化研究，使得光催化成为近年来国内外 最活跃的研究领域之一。
一、光催化领域的重大科技问题 与学科发展趋势
1、重大科技问题
目前以二氧化钛为基础的半导体光催化存 在一些关键科学技术难题，使其广泛的工业应 用受到极大制约，而这些问题的解决则有赖于 深入系统的基础研究。
最突出的问题在于：
（1）量子效率低（～4%）
难以处理量大且浓度高的废气和废水，难以实现光催 化分解水制氢的产业化。
硫化物ZnInevca. evca.百度文库evca. evca. evca. evca. 2S4上可见光催化分解水制氢
2.4 2.0
1st run 2nd run 3rd run
fresh solution
4th run 5th run
fresh solution
6th run
fresh solution
采用固相合成、过渡金属离子和非金 属离子掺杂、金属-有机络合物、表面敏化、 半导体复合等多种方法，制备出了一系列 新型非二氧化钛系或二氧化钛基可见光光 催化材料，这些材料在可见光的照射下， 能将H2O分解为H2和O2，或能有效降解空 气、水中的有机和无机污染物。
● Zhigang Zou等采用高温固相合成法，制备出可见光活性的 In1-xNixTaO4 催化剂并应用于光解水制氢 [1] 、随后又研制出 InVO4 [2]、NiM2O6 (M=Nb,Ta) [3]等系列可见光活性的光解水 催化剂。（Nature，2001)
（3）光催化膜功能材料的研究（成膜机理、性能）；
（4）光催化在环境污染治理和光解水制氢等领域的应用 研究。
二、光催化领域的最新研究进展
近年来，光催化的基础与应用研究 发展非常迅速，特别是在可见光诱导 的新型光催化剂的研究、提高光催化 过程效率的研究和光催化功能材料的 研究等方面都取得了重要进展。
1、可见光诱导的光催化剂研究方面取得 重大突破
3、光催化材料超亲水性的发现[25]，开辟了光 催化研究和应用的新领域（Nature,1997)
利用光催化膜的超亲水性和强氧化性等特性， 研制开发出一系列光催化功能材料，如光催化自 清洁抗雾玻璃、光催化自清洁抗菌陶瓷和光催化 环保涂料等。这些功能材料已开始在建筑材料领 域应用。与之相应的光催化膜功能材料的基础研 究也有大量的文献报道[26-28]。
●赵进才等人 [7]用 β-环糊精和有生物活性的小分子
血晶素合成了一种金属-有机络合物（CDH），该 络合物在可见光下可以活化 H2O2，把水中的若丹 明B（RhB）和2，4-二氯苯酚（DCP）等有机污 染物氧化和矿化。
●最近，李灿等人采用水热合成制备出具有可见光
活性的光解水ZnIn2S4新型催化剂[8]。
（2）太阳能利用率低
由于TiO2半导体的能带结构(Eg=3.2eV)决定了其只能 吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分(太阳光中紫外辐 射仅占~5 %)。
（3）多相光催化反应机理尚不十分明确
以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释许多 实验现象，使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作 盲目性大。