2004 [功能材料] 光催化太阳能转换及环境净化材料(3)

2004 [功能材料] 光催化太阳能转换及环境净化材料的现状和发展趋势

有重大的应用价值，同时可促进材料、 物理、化学、环境和能源等学科的综合交叉和融合， 形成新的重大前沿研究领域。 综上所述， 开展光催化太阳能转换及环境净化材 料的研究， 既体现了我国实施可持续发展战略的重大 需求，完全符合新世纪科技发展以人为本的指导思 想，又反映了当前学科综合交叉和融合的发展趋势。 可使我国在有优势的光催化研究领域取得重大突破， 并开创出新的原创性研究领域，争取国际领先地位， 为环境污染和能源短缺问题的解决提供重大的理论 和技术支持。2图1 太阳光能谱图国内外研究现状和发展趋势及我们 的优势Fig 1 Solar spectrun 最近， 作者们在世界上首次开发了具有可见光活 性的半导体氧化物光催化剂， 此成果发表在世界著名 科学杂志“自然”上(Nature, 414 pp625,2001)，从原 理和方法上指出利用可见光的可行性。然而，现阶段 可见光光催化剂的量子效率还很低(0.6%)，太阳光能 量转换效率只有 0.03%。要大幅度提高光催化太阳光 能转换效率及光催化的可实际应用性， 必须着力解决 以下关键科学问题： （1）新型高效可见光响应光催化材料的科学基 础：从能带匹配、电子输运和表面结构着眼，研究新 型高效光催化剂材料的构建原则、制备与表征。 （2）新型可见光光催化反应的理论基础：研究 光催化物理化学过程中光吸收、载流子激发、输运及 其表面化学反应的基本规律， 阐明新型高效可见光光 催化反应的物理化学机制。 （3）新型可见光光催化材料应用的技术基础： 利用可见光光催化降解和矿化饮用水中微量污染物、 室内空气中挥发性有机物以及高效分解水制氢中的 光催化材料的高效利用、失活机制及再生方法，解决 光催化材料实用化的技术基础问题。 作者们的研究思想是通过提高量子效率和扩大 对可见光的响应范围两个途径， 达到提高太阳光能转 换效率的目的。在此基础上，利用新型高效的可见光1972 年，Fujishima 和 Honda 发现在紫外光照射 下二氧化钛分解水，以此为契机，国际上开始了光催 化研究。 这一方法在原理上可实现以下三方面的功能 (如图 2 所示)： （1）可以利用光激发产生的空穴降解 和矿化有害污染物； （2） 可以利用光激发产生的电子 还原水产生氢气或还原分解污染物； （3） 可以利用光 激发产生的电子和空穴实现光电池发电。到目前为 止， 绝大多数光催化研究工作是围绕二氧化钛 （TiO2） 等紫外光响应光催化材料而展开的。 它们只在紫外光 照射下有活性，而紫外光区域的能量只占可见光的 4%，因此在光催化可见光转化效率方面受到了基本 的限制，因而