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

难以大规模实用化。图2光催化的应用Fig 2 Various applications of photocatalysis 寻找新的可见光响应的光催化材料是当前国际上 光催化研究的前沿，大部分工作集中在二氧化钛的改 性，并且取得了一些进展。在研究初期，把 TiO2 向可 见光红移的构想都集中在金属离子掺杂或和其它金邹志刚 等：光催化太阳能转换及环境净化材料的现状和发展趋势85属氧化物半导体复合，此后二十多年的研究最终证 明，阳离子的改性虽然可以降低 TiO2 带隙，但同时 也显著降低了光量子效率， 因为掺杂的金属离子本身 成为电子－空穴复合点位。直到 2001 年，日本丰田 汽车公司的研究人员提出了阴离子掺杂来改进二氧 化钛的光催化性能，发现用氮取代部分氧，得到的 TiO2-xNy 光催化材料在可见光区的光吸收与纯二氧化 钛相比获得了大幅度提高（Science，293, pp269-271, 2001） 美国的研究人员 2002 年 9 月发现用碳取代部 ； 分氧，得到 C 掺杂的 TiO2，其在可见光区的光吸收 也大幅度提高 (Science,297,pp2243,2002)。这些研究 虽然使得 TiO2 在可见光区的吸收得到一些提高，并 保持了较好的光催化效率，但由于注入的改性物 N 行实际应用。 2001 年，作者们在世界上首次成功地实现了利 用可见光将可见光转化为化学能(Nature, 414 pp625, 2001)。该工作突破了传统的、只能在紫外光下具有 活性的 TiO2 光催化材料，发展了一种全新的、具有 可见光活性的新型氧化物半导体(In1-xNixTaO4),如图 3 所示。 这种新型的可见光响应光催化材料为实现可见 光高效转化提供了一种新的思想和途径， 因此该项成 果在国际上引起广泛关注。世界著名的光化学家、美 国加州理工大学 Lewis 教授对此成果评价道“Zou et al describe a step along one way towards this Holy Grail of inorganic photochemistry ” (Nature ， 414, pp589, 2001)。此项成果发表的同一天，Science 也以《水＋ 太阳＋新催化剂＝新能源》为题发表了评论，称此成 果是一项了不起的突破。 或 C 在光照下容易分解，具有不稳定性，因此无法进类元素)、(In2O3)m(BaO)n 、AgInW2O8, MN1/3Nb2/3O3 (M=Ca,Sr,and Ba；N=Ni, Co,In,Cr)等在更宽的可见光 区域(至 650nm)具有光催化活性，可以有效地降解水 和空气中的甲醛、 乙醛、 亚甲基蓝和 H2S 等有害物(图 4 给出了可见光光催化在环境净化方面的应用实例)， 并初步实现了室外实际太阳光下光催化分解水产生 氢， J.Phys. Chem. B 在 （107， pp61,2003; 107, pp4936, 2003; 107, pp14265, 2003） 等杂志上发表一系列文章， 并已申请三项中国发明专利、 六项日本专利和一项美 国专利。BB图4可见光光催化用于有害物分解Fig 4 Degradation of contamination by visible- lightd