雪中送来神奇的光催化

演讲者：蔡冠宇

推荐单位：北京腐蚀与防护学会

我们心中总是涌动着骄傲和自豪，当说起我们国家拥有九百六十万平方公里的广袤国土之时！在我们的认知中，这片土地幅员辽阔，物产丰富，资源繁多，她滋养了一代又一代中国人。双脚踏在由衷热爱的祖国大地上，我们安心学习，我们幸福生活，我们感受着国家发展带来的物质与精神文明，我们赞同“少年强则国强”的观念，我们也盼望着“中华繁荣富强，国泰才能民安”！

事实往往稍逊于理想，当年忠贞为国酬，何曾怕断头？如今天下红遍，江山靠谁守？在物质文明高速发展的今天，几乎全人类都面临着资源危机、能源危机，这已经成为需要全世界共同面对的一个难题。必须承认，资源危机、能源危机的时代已经悄无声息地到来，并在慢慢地渗透、影响了我们的生活。作为科研工作者，我们必须要把它作为重点问题来对待、考虑，并解决。仔细想来，造成我国面临资源和环境的两座大山的压力，原因主要在三方面：第一，由于世界能源主要依赖不可再生的化石资源，当这有限的资源被挖掘殆尽之时，人类将陷入可怕的境地;第二，人口突破70亿，生产生活造成的垃圾多是有机物垃圾，自然降解慢，加之发达国家把国内垃圾运往第三世界国家，而有机物垃圾自然降解极其解慢，这使得垃圾堆砌难以处理，环境问题日趋严重;第三，我国能源结构落后，导致经济发展和环境保护二者之间出现了矛盾。若说当前，上述我们所面临的资源和能源危机是人类发展史上的一场暴风雪，那么正是科学家们用智慧的头脑和辛勤的双手为我们“在雪中送来了神奇的光催化技术”。

我们深入了解光催化的反应原理，从现代科学角度认识光催化的“神奇特效”——物质由原子组成，原子表面带有电子。当具有能量的光照射到物质表面，物质本身能量会升高，当能量提高到足以使电子受激发而跃迁时，该物质表面会产生具有还原性的光电子（光电子：受光子激发而跃迁的电子，一般从价带跃迁到导带）。而在电子的原位置会产生光生空穴，空穴具有氧化性。至此，氧化/还原化学反应即可发生，当光不断照射，在物质表面的氧化/还原反应就会持续不断发生，从而起到光催化的效果。具有以上光催化效果的物质被称为光催化剂或光催化材料。

我们可以简单回顾一下光催化的发展历程：记得是在1972年，科学家Honda在n-型半導体TiO2电极上发现了水的光催化分解作用，从此揭开了光催化技术研究的序幕。稍后，在1976年Garey，1977年Frank用TiO2光催化剂氧化降解有机物，从此，光催化在环保方面的应用研究开始启动。而近十几年来，半导体光催化技术在环保、卫生保健等方面的应用研究发展迅速，纳米光催化已经成为国际上最活跃的研究领域之一。那么光催化究竟有什么特异之处可以成为国际研究领域的宠儿呢？

“光催化技术”寻找新的清洁能源，为社会的科学发展指明了方向。我们都知道，氢能作为理想的、清洁的、可再生的二次能源，其形成依赖于廉价的氢源;而太阳能资源丰富、普遍、经济、洁净，利用太阳能光分解水技术可望获得廉价的氢气，并且还可就地生产，神奇的光催化为人类寻找新型能源打开了大门。

我们可不可以利用自然界取之不尽的太阳光分解垃圾，实现资源和能源的转化呢？诚然，这是一个近乎“神奇”的想法，但光催化本身就是一项神奇的技术，我们可以对之寄予希望。“光催化技术”对有机物的降解，既能充分利用太阳能，又能帮助人们解决有机污染物的处理这一难题。为了提高光催化剂的催化效率，拓展其应用前景，人们不仅打破了催化光源只能是紫外光的束缚，而且还将光催化剂与纤维素纸相连接，开辟了光催化的新天地。光催化剂不仅具有较高的化学稳定性，而且还具有成本低廉、环境友好等优势。此外，更令我们惊喜的是，光催化剂具有普适性，也就是说光催化剂基本可以无选择地降解有机污染物。

目前，光催化技术的主要应用有三个方面：光催化分解水制氢;液相污染物降解;气相污染物降解。人们对于光催化科学的研究总体仍处于探索阶段，当下的研究方向很多。比如：传统TiO2的各种修饰改性研究;TiO2与石墨烯等合成复合光催化材料的研究;新型光催化材料的研究，如BiVO3、ZnO、CdS、Sb2S3等。近年来，国内外许多研究者通过多种途径对TiO2光催化剂进行修饰和改性，以期拓宽其光谱响应范围、提高其光催化活性，科学家们各显神通，百家争鸣，目前主要方法有四种：（1）半导体的复合;（2）全属的沉积或负载;（3）离子掺杂;（4）聚合物修饰等。不久，神奇的光催化帮助人们建设更舒适的生活环境，乃至创造更发达的人类文明！

光催化是催化科学、光电化学、纳米科学、材料科学、半导体物理、环境科学等多学科交织的新领域、新学科，也是一个新的方向。它的神奇之处在于充分利用光能，寻找新的资源，并给了人们解决能源问题的希望。如果说，当前我们所面临的能源危机是一场暴风雪，那么光催化技术无疑就是“雪中送炭”。在能源危机十分严重、资源短缺的问题日益突出之际，光催化为解决当前的困境带来了希望的曙光。因此化学家们大胆预测，在不久的将来，光催化技术极有可能成为人类生活中重要的组成部分，可以帮助人们建设更加舒适的生活环境，可以帮助我们创造更加发达的人类文明！

今日长缨在手，何时缚住苍龙？最作为科研人，不仅要有“忆往昔，峥嵘岁月”的明智，更要有“数风流人物，还看今朝”的壮志！不久以后，相信神奇的光催化技术为祖国的发展助力，为中国梦的早日实现助力，为我们创造美好的明天助力！我愿意把青春献给科研，献给人民，献给祖国！