【光催化催化剂原理】光催化催化剂是一种在光照条件下能够促进化学反应的材料，广泛应用于环境治理、能源转换和空气净化等领域。其核心原理是利用光能激发催化剂表面的电子，使其从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对，从而引发氧化还原反应，实现污染物的降解或能量的转化。
一、光催化催化剂的基本原理总结
光催化过程主要依赖于半导体材料的特性。当光照射到催化剂表面时，如果光子的能量大于或等于半导体的带隙能量（Eg），则会激发电子从价带跃迁到导带，产生自由电子和空穴。这些电子和空穴具有很强的氧化还原能力，可以与周围的物质发生反应，如水分子或氧气，生成具有强氧化性的活性物种，如羟基自由基（·OH）和超氧自由基（·O₂⁻），从而分解有机污染物或进行其他化学反应。
光催化反应通常包括以下几个步骤：
1. 光吸收：光子被催化剂吸收，激发电子。
2. 电子-空穴分离：激发产生的电子和空穴分离，避免复合。
3. 迁移与反应：电子和空穴迁移到催化剂表面，参与氧化或还原反应。
4. 产物生成：生成的活性物种与污染物反应，最终将其分解为无害物质。
二、常见光催化材料及其特性对比表
| 材料名称 | 化学式 | 带隙能量（eV） | 光响应范围 | 特点 |
| 二氧化钛 | TiO₂ | 约3.0–3.2 | 紫外光（<400 nm） | 稳定性好，成本低，应用广泛 |
| 氧化锌 | ZnO | 约3.2–3.3 | 紫外光（<380 nm） | 价格较低，但易被腐蚀 |
| 钛酸锶 | SrTiO₃ | 约3.2 | 紫外光 | 稳定性好，但光催化效率低 |
| 氮掺杂二氧化钛 | N-TiO₂ | 约2.5–2.8 | 可见光（<600 nm） | 提高可见光利用率，改善催化性能 |
| 钙钛矿型材料 | 如CH₃NH₃PbI₃ | 约1.2–1.5 | 可见光 | 光电转换效率高，但稳定性较差 |
三、影响光催化性能的因素
1. 催化剂种类：不同材料的带隙和结构决定了其光响应范围和催化活性。
2. 光波长：只有能量大于带隙的光才能有效激发电子。
3. 催化剂形貌与结构：纳米结构、多孔材料等可提高比表面积和电子传输效率。
4. 反应条件：温度、pH值、氧气浓度等均会影响反应速率和产物分布。
5. 助催化剂添加：如贵金属（Pt、Au）或共催化剂（如CoOx）可促进电子-空穴分离，提高催化效率。
四、光催化技术的应用领域
1. 废水处理：降解有机污染物、染料、药物残留等。
2. 空气净化：去除甲醛、苯等挥发性有机物。
3. 太阳能转换：将光能转化为化学能，如水分解制氢。
4. 自清洁材料：用于建筑外墙、玻璃等，防止污渍附着。
通过不断优化光催化材料的设计与合成方法，科学家们正在努力提高光催化效率、扩展光响应范围，并增强其稳定性和实用性，以推动该技术在环保与能源领域的广泛应用。