影响半导体光催化活性的因素有哪些

以纳米二氧化钛（TiO2）光催化剂为例，影响纳米（TiO2）光催化活性的因素还是很多的，比如说：催化剂的晶型、粒子大小、表面结构、掺杂金属离子、半导体耦合、表面贵金属沉积、半导体光敏化、半导体与粘土交联等。

光催化材料是由CeO2（70%-90%） ZrO2（30%-10%）组成，形成ZrO2稳定CeO2的均匀复合物，外观呈浅黄色，具有纳米层状结构，在 1000℃ 经4小时老化后，比表面仍较大（>15M# G），因此高温下也能保持较高的活性。

用途:适用于高温催化材料,如汽车尾气催化剂 技术背景——能源危机和环境问题

人类目前使用的主要能源有石油、天然气和煤炭三种。根据国际能源机构的统计，地球上这三种能源能供人类开采的年限，分别只有40年、50年和240年。值得注意的是，中国剩余可开采储蓄仅为1390亿吨标准煤，按照中国2003年的开采速度16.67亿吨/年，仅能维持83年。中国石油资源不足，天然气资源也不够丰富，中国已成为世界第二大石油进口国。因此，开发新能源，特别是用清洁能源替代传统能源，迅速地逐年降低它们的消耗量，保护环境改善城市空气质量早已经成为关乎社会可持续发展的重大课题。中国能源发展方向可以锁定在前景看好的五种清洁能源: 水电、风能、太阳能、氢能和生物质。

太阳能不仅清洁干净，而且供应充足，每天照射到地球上的太阳能是全球每天所需能源的一万倍以上。直接利用太阳能来解决能源的枯竭和地球环境污染等问题是其中一个最好、直接、有效的方法。为此，中国政府制定实施了“中国光明工程”计划。模仿自然界植物的光合作用原理和开发出人工合成技术被称为“21世纪梦”的技术。它的核心就是开发高效的太阳光响应型半导体光催化剂。目前国内外光催剂的研究多数停留在二氧化钛及相关修饰。尽管这些工作卓有成效，但是在规模化利用太阳能方面还远远不够。因此搜寻高效太阳光响应型半导体作为新型光催化剂成为当前此领域最重要的课题。

二， 光催化材料的基本原理

半导体在光激发下，电子从价带跃迁到导带位置，以此，在导带形成光生电子，在价带形成光生空穴。利用光生电子-空穴对的还原氧化性能，可以降解周围环境中的有机污染物以及光解水制备H2和O2。

高效光催化剂必须满足如下几个条件： （1）半导体适当的导带和价带位置，在净化污染物应用中价带电位必须有足够的氧化性能，在光解水应用中，电位必须满足产H2和产O2的要求。（2）高效的电子-空穴分离能力，降低它们的复合几率。（3）可见光响应特性：低于420nm左右的紫外光能量大概只占太阳光能的4%，如何利用可见光乃至红外光能量，是决定光催化材料能否在得以大规模实际应用的先决条件。常规anatase-type TiO2 只能在紫外光响应，虽然通过搀杂改性，其吸收边得以红移，但效果还不够理想。 因此，开发可见光响应的高效光催化材料是该领域的研究热点。只是，现在的研究状况还不尽人意。

三， 光催化材料体系的研究概况

从目前的资料来看，光催化材料体系主要可以分为氧化物，硫化物，氮化物以及磷化物

氧化物：最典型的主要是TiO2及其改性材料。目前，绝大部分氧化物主要集中在元素周期表中的d区， 研究的比较多的是含Ti，Nb，Ta的氧化物或复合氧化物。其他的含W，Cr，Fe，Co，Ni，Zr等金属氧化物也见报道。个人感觉，d区过渡族金属元素氧化物经过炒菜式的狂轰乱炸后，开发所谓的新体系光催化已经没有多大潜力。目前，以日本学者J. Sato为代表的研究人员，已经把目光锁定在p区元素氧化物上，如含有Ga，Ge，Sb，In，Sn，Bi元素的氧化物。

硫化物：硫化物虽然有较小的禁带宽度，但容易发生光腐蚀现象，较氧化物而言，稳定性较差。主要有ZnS，CdS等

氮化物：也有较低的带系宽度，研究得不多。有Ta／N，Nb／N等体系

磷化物：研究很少，如GaP

按照晶体/颗粒形貌分类：

（1）层状结构

**半导体微粒柱撑于石墨及天然/人工合成的层状硅酸盐

**层状单元金属氧化物半导体如：V2O5，MoO3，WO3等

**钛酸，铌酸，钛铌酸及其合成的碱（土）金属离子可交换层状结构和半导体微粒柱撑于层间的结构

**含Bi层状结构材料，(Bi2O2)2+(An-1BnO3n+1)2- (A=Ba，Bi，Pb；B=Ti，Nb，W)，钙钛矿层 (An-1BnO3n+1)2-夹在(Bi2O2)2+层之间。典型的有：Bi2WO6，Bi2W2O9，Bi3TiNbO9

**层状钽酸盐：RbLnTa2O7(Ln=La,Pr,Nd,Sm)

（2）通道结构

比较典型的为BaTi4O9，A2Ti6O13（A=K，Na，Li，等）。这类结构往往比层状结构材料具有更为优异的光催化性能。研究认为，其性能主要归咎于金属-氧多面体中的非对称性，产生了偶极距，从而有利于电子和空穴分离

（3）管状结构：在钛酸盐中研究较多

（4）晶须或多晶一维材料

经由VLS，VS，LS（如水热合成，熔盐法）机制可制备一维材料；

液相合成中的软模化学法制备介孔结构的多晶一维材料

对于该种行貌的材料，没有迹象表明，其光催化性能得以提高

（5）其他形状复杂的晶体或粉末颗粒

最典型的是ZnO材料，根据合成方法不同，其行貌也相当丰富

四，提高光催化材料性能的途径

（1）颗粒微细纳米化

降低光生电子-空穴从体内到表面的传输距离，相应的，它们被复合的几率也大大降低。

（2）过度金属掺杂和非金属掺杂

金属：掺杂后形成的杂质能级可以成为光生载流体的捕获阱，延长载流子的寿命。Choi以21种金属离子对TiO2光催化活性的影响，表明Fe3+，Mo5+，Re5+，Ru3+，V4+，Rh3+能够提高光催化活性，其中Fe3+的效果最好。具有闭壳层电子构型的金属离子如Li+，Al3+，Mg2+，Zn2+，Ga2+，Nb5+，Sn4+对催化性影响甚微

非金属：TiO2中N，S，C，P，卤族元素等

对于掺杂，个人的认识，其有如下效应：

**电价效应：不同价离子的掺杂产生离子缺陷，可以成为载流子的捕获阱，延长其寿命；并提高电导能力

**离子尺寸效应：离子尺寸的不同将使晶体结构发生一定的畸变，晶体不对性增加，提高了光生电子-空穴分离效果

**掺杂能级：掺杂元素电负性大小的不同，带隙中形成掺杂能级，可实现价带电子的分级跃迁，光响应红移

（3）半导体复合

利用异种半导体之间的能带结构不同，复合后，如光生电子从A粉末表面输出，而空穴从B表面导出。也即电子和空穴得到有效分离

（4）表面负载

将半导体纳米粒子固定技术在不同的载体上（多孔玻璃、硅石、分子筛等）制备分子或团簇尺寸的光催化剂。

（5）表面光敏

利用具有较高重态的具有可见光吸收的有机物，在可见光激发下，电子从有机物转移到半导体粉末的导带上。该种方法不具有实用性，一方面，有机物的稳定性值得质疑；另一考虑的是经济因素

（6）贵金属沉积

贵金属：Pt, Au, Pd, Rh,

Ni, Cu, Ag,等

（7）外场耦合

热场，电场，磁场，微波场，超声波场

目前，研究较多的是电场效应。其他场的研究也不少见，效果一般，更多的是从工艺层次来说明效果，所谓理论的东西不多 回答

为了回答这个问题，需要先补充一些概念。在半导体中，电子分布在“能带”上。在低温、不受到任何激发的时候，电子分布在“价带”上，处于基态。而受到激发（比如光激发）后电子就会吸收能量，如果吸收的能量量子（比如说光子）的能量大于半导体的带隙（或者叫禁带宽度），电子就可以跃迁到“导带”上，处于激发态，而同时由于电子的跃迁，在价带中就留下了一个空的位置，称为“空穴”。价带的最高能级与导带的最低能级之间的部分就是禁带，其能量差就是半导体的带隙，在禁带中，除非有能量陷阱，否则电子是无法在禁带中分布的。电子要么在价带分布（基态），要么在导带分布（激发态）。而在导带中的电子是一种高能量且不稳定的存在，它会设法跃迁回到基态，并在这个过程中释放出能量。如果是直接带隙半导体，则能量就可以以光子的形式辐射出来，形成发光；如果是间接带隙半导体，则发光辐射的概率就很小，能量多会以弛豫的形式释放出来。

而半导体纳米材料的光催化特性就是源自于半导体材料会吸收光能，电子跃迁到高能态上。但仅仅如此还不能产生催化的效果。纳米的尺度也是至关重要的，纳米的尺度主要为其提供了一下性质：1、为材料提供了巨大的比表面积，可以让它与被催化的物质有充分的接触面积，提高催化的效率；2、纳米尺度带来的量子限域效应，使得电子被激发起来以后，与空穴形成的“载流子对”无法被分散，相当于把能量集中在了纳米尺寸的范围之内，提高了纳米材料表面的能量密度；3、纳米材料由于巨大的表面张力的存在，表面能非常高。这些因素就使得被催化的物质不仅可以大量吸附于纳米材料之上，且当纳米材料被光激发时，能量可以很方便地被传递到被催化物上。半导体纳米材料先吸收光能，电子发生跃迁、与空穴分离，在电子跃迁回基态的过程中释放出能量，这部分能量可以有效传递给吸附于纳米材料表面的待催化物质，这样那些待催化的物质就获得了能量，称为“敏化”。被敏化以后，原本难以发生的反应就会由于获得了更高的能量而变得容易起来。这就实现了光催化。

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