光電催化技術(shù)與基礎應用

光電催化是光催化與電催化的結合，可將兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)體現。 

與光催化相比，光電催化反應中，光電可利用太陽(yáng)光照射產(chǎn)生光生電子，提高反應活性和催化效率。 

與電催化相比，光電催化反應大大降低了外部能量的注入，可有效減少能源消耗和環(huán)境污染。 

光電催化還可以將因能帶結構的失配而不適用于光催化的催化劑，在適當的外加電壓條件下適用于光電催化。

光電催化反應可根據反應物質(zhì)和反應類(lèi)型的不同，分為光電催化分解水制氫、光電催化降解、光電催化二氧化碳還原、光電催化氮還原合成氨等等。

光電催化反應過(guò)程是在有光照射作用下的電化學(xué)過(guò)程，是因吸收光使電子處于激發(fā)狀態(tài)，產(chǎn)生電荷傳遞的過(guò)程。由于半導體材料存在禁帶，價(jià)帶電子與導帶電子之間的相互作用很弱，受到光的激發(fā)以后，半導體的價(jià)帶電子進(jìn)入導帶，并在價(jià)帶留下空穴，引發(fā)光電化學(xué)反應。

圖1. 三種常見(jiàn)的光電催化反應池 (a)光陽(yáng)光電催化反應池；(b)光陰光電催化反應池；(c)串聯(lián)光電催化反應池

光電催化是光催化與電催化的結合，可將兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)體現。 

基于半導體材料的光電催化反應池主要包含四個(gè)部分： 

1. 光電：也稱(chēng)工作電，是光電催化反應池中的核心部件，由用于捕獲光能量的半導體材料構成。 

一般情況下，將n型半導體薄膜/導電基底稱(chēng)為光陽(yáng)，p型半導體薄膜/導電基底稱(chēng)為光陰。 

常見(jiàn)的光電制備方式是將光電半導體材料附著(zhù)于氧化銦錫（ITO）或摻氟氧化錫（FTO）等有著(zhù)較低功函數的透明導電氧化物鍍膜玻璃上，將光電夾持在如圖2（a）所示的電夾具上使用。 

2. 對電：若只研究單一光陽(yáng)或光陰時(shí)，需要引入對電來(lái)充當另一半的半反應場(chǎng)所。對電通常選用具有良好電荷傳輸性能和較低反應過(guò)電勢的材料，一般為Pt電，如圖2（b）所示。 

3. 參比電：為確保施加在光電上的電位準確穩定，通常會(huì )加裝參比電，將整個(gè)光電催化反應池構建成三電體系。參比電可選擇Ag/AgCl電、Hg/Hg₂Cl₂電或Hg/HgO電，如圖2（c）所示。 

4. 適當的電解質(zhì)溶液：電解質(zhì)溶液在光電催化反應反應池中起聯(lián)通電路的作用，需要具有良好的離子電導率。

根據光電催化反應中光電材料性質(zhì)的不同，電解質(zhì)溶液的pH值和構成電解質(zhì)溶液的離子類(lèi)型也不盡相同。 

在選擇電解質(zhì)溶液時(shí)需要注意的是，要確保所選的電解質(zhì)溶液不與所選用的參比電發(fā)生反應。 

電解質(zhì)溶液可分為三種：

 1）酸性電解質(zhì)溶液：H₂SO₄溶液等； 

2）中性電解質(zhì)溶液：Na₂SO₄溶液、K₂SO₄溶液等； 

3）堿性電解質(zhì)溶液：NaOH溶液、KOH溶液等。

圖2. (a)電夾具；(b)Pt電；(c)Hg/Hg₂Cl₂電；(d)Ag/AgCl電