光催化剂的发展前景与突破

光催化剂的发展前景与突破一、解决人类生存的重大问题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。光催化剂的研究应用一旦获得突破，将可以使环境和能源这两个二十一世纪人类面临的重大生存问题得以解决。利用太阳能光催化分解水制氢H2O→H2+½O2彻底解决能源问题利用环境光催化C6H6+7½O2→6CO2+3H2O彻底解决污染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。二、光催化研究领域急需解决的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导带价带hν=Eg还原氧化A_AD+D光催化原理νh光催化剂应用领域光催化剂空气、水净化国防军事纺织工业汽车工业家用电器建筑材料医疗卫生洁净能源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。三、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。2、为解决多相光催化过程效率偏低的问题，近年从提高催化剂自身的量子效率和改进反应过来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、半导体复合、纳米晶粒制备、超强酸化等方法，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。3、光催化材料超亲水性的发现，开辟了光催化研究和应用的新领域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。4、超分散性及可见光活性实现突破河南工业大学李道荣教授开发出了超分散性及可见光活性纳米二氧化钛光催化剂，这种氮掺杂纳米二氧化钛光催化剂具有较强的可见光活性，在室内光作用下即可分解污染物。所得产品已通过河南华荣环保科技有限公司量产。产品形貌为棒状（柱状）多边形实体粒子，直径5纳米长度约10至15纳米。产品具有可见光活性，光催化活性高。分散性极好，透射电镜图片不产生团簇。这种产品用于涂料中，解决了在涂料中的纳米产品易团聚、活性被掩盖的世界性难题。这种产品在成膜后，无论使用什么样的成膜剂，由于它是棒状（柱状）多面体，在表面总有一定的裸露点而获得光的激发，所以活性被掩盖较少。可以说，该产品的出现可以实现室内环境污染治理难题的跨越。四、我国光催化学科的发展现状最近几年，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。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。