什么是半导体光催化剂

半导体材料（semiconductormaterial）是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。

其用于光催化就叫做光催化剂

半导体光催化剂大多是n型半导体材料（当前以为TiO2使用最广泛）都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构,即在价带(ValenceBand,VB)和导带(ConductionBand,CB)之间存在一个禁带(ForbiddenBand,BandGap)。由于半导体的光吸收阈值与带隙具有式K=1240/Eg(eV)的关系,因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子发生带间跃迁,即从价带跃迁到导带,从而产生光生电子(e-)和空穴(h+)。此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子,而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性,能将绝大多数的有机物氧化至最终产物CO2和H2O,甚至对一些无机物也能彻底分解。

自从1972年Fujishu和Honda报道了TiO2在紫外光照射下有较好的光催化效应以来，由于TiO2稳定、无毒、价格低廉，容易再生和回收利用等优点，在光催

化方面得到广泛的研究。特别是在污水降解处理[2-4]和太阳能薄膜电池材料应用中有着巨大潜力。所以TiO2一直受到许多国内外学者的广泛关注和研究。自然界中TiO2存在锐钛矿(Anatase)、金红石(Rutile)、板钛矿(Brookite)三种晶型。板钛矿型TiO2不够稳定，而锐钛矿型TiO2比金红石型TiO2的光催化活性要好。所以锐钛矿相TiO2研究较多。

锐钛矿TiO2带隙较宽(3.23eV)，只能被波长小于387nm的紫外光所激发产生光催化活性。而紫外光的能量仅仅占太阳光的总能量的4％，这样使得太阳光的利用率很低[5]。因此TiO2的应用受到严重的限制和发展。目前，研究者大多数是通过过渡金属元素[6-10]或非金属元素掺杂[11-13]，有机染料表面修饰，以及贵金属沉积等方法使TiO2在可见光区（可见光占太阳光的总能量的43％）实现光催化。其中掺杂是一种有效并且易于实现的方法。由于杂质原子的引入，掺杂可能导致其能带结构发生（1）增加过渡能级（2）缩小能带间隙两种变化。这两变化都能有效减少价带中电子跃迁到导带的能量，从而使它们吸收带红移。金属掺杂起步比较早，研究的比较多，而非金属掺杂研究的不是很多。通过溶胶—凝胶法、PLD沉积法、磁控溅射法等一些实验方法提供大量数据说明TiO2在掺杂后其吸收光谱实现红移的研究较多。而基于量子理论的第一性原理计算方法的理论分析其形成红移现象的一些细节、机理研究较少。

21世纪，能源和环境已经成为可持续发展面临的两大重要问题。半导体

化剂由于节约能源、净化环境等优点越来越受到国内外学者的关注和研究。

多的半导体光催化剂中TiO2以其无毒，超亲水性，化学稳定性好，氧化能

廉价易得而成为最理想的光催化剂。特别是TiO2在环境污染物降解处理上有

大的优点。因此，TiO2在食物防霉，室内外墙壁、玻璃防污自净，烟垢自净

用治疗等方面都有巨大的应用前景。除此之外，TiO2还可用来作染化敏太阳

池。纳米TiO2太阳能电池以其与固态光伏电池相媲美的高光电转换效率，价

廉，无污染等巨大优势使其具有广阔的前景和商业价值。所以研究TiO2对能

2环境问题有着重大的科学意义和应用价值。

---