光催化学科的前沿与发展趋势
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●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。
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Amount of H / mmol 2
1.6
1.2
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120 141450
Time / hour
Baidu Nhomakorabea
Zhibin Lei and Can Li et al, Chem. Commun., 2003, 2142..
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。
（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。
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A
光
还 原
催A
化
原
理
hν
导带
hν= Eg
价带
D 氧 化
D+
NHE(pH=0)
光
解 0.0eV H+/H2
水 原 1.23eV
O2/H2O
理
hν
导带 激发电子
光吸收
价带
生成空穴
●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
空气、水净化
洁净能源
国防军事
医疗卫生
光催化技术 建筑材料
纺织工业
光催化学科的前沿与发展趋势
●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
→hv
催化剂
H2 +
½
O2
环境光催化
C6H6 +
7
½
O2
→hv
催化剂
6
CO2 +
3H2O
●环境和能源是二十一世纪人类面临和 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。
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)
● 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。
家用电器 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。
（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
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。
●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。
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）；
●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]。
硫化物ZnIn S 上可见光催化分解水制氢 2 evca.
4
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evca. evca.
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evca.
2.4 1st run 2nd run 3rd run 4th run 5th run 6th run
（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
●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）
●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。
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Baidu Nhomakorabea
Zhibin Lei and Can Li et al, Chem. Commun., 2003, 2142..
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。
（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。
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光
还 原
催A
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导带
hν= Eg
价带
D 氧 化
D+
NHE(pH=0)
光
解 0.0eV H+/H2
水 原 1.23eV
O2/H2O
理
hν
导带 激发电子
光吸收
价带
生成空穴
●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
空气、水净化
洁净能源
国防军事
医疗卫生
光催化技术 建筑材料
纺织工业
光催化学科的前沿与发展趋势
●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
→hv
催化剂
H2 +
½
O2
环境光催化
C6H6 +
7
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O2
→hv
催化剂
6
CO2 +
3H2O
●环境和能源是二十一世纪人类面临和 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。
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)
● 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。
家用电器 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。
（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
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。
●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。
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）；
●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]。
硫化物ZnIn S 上可见光催化分解水制氢 2 evca.
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2.4 1st run 2nd run 3rd run 4th run 5th run 6th run
（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
●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）
●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。