神奇的光催化

王燕，张绮彤，张彬，王宇

哈尔滨工业大学化工与化学学院，哈尔滨 150000

1 氢气生成

“这是哪里，你们是谁呀？”我站在一片黑乎乎的地上，挠了挠头。

突然一束耀眼的光照了进来，然后我看到有一个长着圆脑袋的小朋友从一个孔穴中“噌”的一下冒出来，我竟被吓得倒退了几步。

“不要害怕啊，小朋友，刚才是我的好搭档光子，他带着自身的光能照进光催化剂里，我因为他的能量才能从光催化剂中被激发出来，一会儿就让我带你继续参观吧。”这个圆脑袋的小朋友激动地说道[1]。

这时地面竟然说话了：“小朋友，你好呀，这里是光催化制氢部落，1972年，Fujishima教授和Honda教授发现了水在二氧化钛电极上可以光催化分解为氢和氧，这标志着多相光催化时代的开始，也使光催化制氢部落发展了起来。我们因为有独特的电子结构而被广泛地应用于光催化领域，成为光催化制氢半导体材料。在我的身体里，电子填满了一些能量较低的能带，也称为满带，其中能量最高的满带称为价带。你们现在站的地方就是价带了，而价带之上有一系列空带，而能量最低的空带则称为导带。一会儿你就会进入到那里，见证一些奇妙的反应。”

我这才意识到我竟然在光催化的部落中，而且还是在别人的肚子里，我一头雾水，不知道接下来会发生什么。

“他是光生电子，接下来的旅程就让他为你做向导吧。”光催化剂又说道。

“走吧！快跟我来！”电子小朋友迫不及待地拉起我的手，他拉着我一起飞过了像银河一样的通道。

“我们到了。”他拍了拍我的肩膀。

“这是什么地方啊？”我又好奇地发问。这时候一个十分温柔的女声在我耳边响起来，“我是你们的导带姐姐，你们已经到了我的领地，接下来你就会在我这里看到神奇的光催化反应了。”

“氢离子妹妹等很久了，走，我们去催化剂的表面上找氢离子妹妹！”我听见电子兴奋地说。我和他一起像穿过了厚厚的泥土一样，好不容易冒出了头，到了催化剂的表面，发现四周都是水，像在深海里一样。

“这就是氢离子妹妹！”电子热情地向我介绍道。

只见电子小朋友走了过去，他们手拉着手一起转啊转，最后融合为一体，俨然变成了一个全新的模样，我十分惊讶，捂住了嘴巴。

“你好，小朋友，我是氢气，我是光催化反应中由氢离子和电子还原产生的。我是一种清洁的新能源载体，可用于燃料电池，将太阳能、风能等可再生能源储存，未来的市场前景十分广阔。”这时氢气发声了。

“光生电子有很强的还原性，他们俩结合发生反应，使得氢离子变成氢气，这就是光催化的制氢反应哦。”导带姐姐向我解释[2]。

“这真的太奇妙了！”我不禁感叹道。

“好了，光电子的使命已经完成，我送你回到你出发的地方吧。”导带姐姐说道。

“嗖”的一下，我又回到了价带，低头看见地上有许多的孔洞。

“不要小看这些孔哦，他们是光生电子激发出去留下的空穴，有极强的氧化性，在导带发生反应的同时，这里也会发生相对应的氧化反应，氧化反应和还原反应一起构成了光催化反应。刚才电子跑到导带上时，空穴就可以将H2O氧化为O2，完成了另外一个半反应(图1)。”价带姐姐语重心长地说道。

图1 光催化制氢原理图

“但是要想实现这一反应，光催化剂材料就必须满足特殊的能带结构，要求同时满足导带电位较H＋/H2(0 eV)电位更负，价带电位较O2/H2O(1.23 eV)电位更正(图2)。此外你看到的光生电子和空穴，他们之间很容易复合，这会使光催化反应无法进行，所以大部分材料需要在反应水溶液中加入电子给体作为牺牲剂，不可逆地消耗光催化过程中产生的空穴，进而延长光生电子寿命。”价带又说道。

图2 常见半导体催化剂的能带结构

“啊，原来是这样啊。”我点点头。

“这样吧，你既然已经了解光催化制氢的过程了，下面你可以去我们的氢能利用城市看看，那里会带给你更多的惊喜。”催化剂说道。

“好！”

忽然一转，我来到了一个漂亮的城市，这里有着蓝蓝的天空、错落的街道。

我走上前去，看到路上行驶的车辆都标注了氢能汽车、无污染的标志。人们使用的能源也都是来自氢能，真的让我大吃一惊。现在地球上污染这么严重，如果我们也可以利用绿色氢能，一定可以更好地保护环境。

“光催化制氢部落你已经参观完了，我把你送到下一个部落吧。”这时制氢催化剂的声音在我耳边响起了。

2 CO2还原

有了刚才的经历，我感觉适应了一些，不像刚才那么震惊，对接下来的旅程更加充满期待。转眼之间，我又被送到了一个新的部落，看到路边的标志上写着“光催化二氧化碳还原”。我走了进去，迎面碰上了一个胖胖的小朋友，他长着一头红色的头发，身体圆滚滚的，十分憨态可掬。

“远方的朋友你好，早就听说你要来了，欢迎来到二氧化碳还原部落。我是一个二氧化碳分子，接下来和我一起去找催化剂姐姐，让我能够变身成为更有用的化学物质吧。”他朝我绅士地鞠了个躬。

“好的！”

“因为我们性质特殊，我不好吸附到催化剂的表面，所以这些催化剂都是特殊为我们设计的。快跟我来吧!”

一会儿，我们来到了一个名叫CO2还原工厂的地方，CO2开心地拉着我进去。我们一起跳进了其中一个还原车间，水里漂浮着许多黑色的固体。

“来，和我一起抱在催化剂的表面，等待光电子来找我。”

“光电子？是被光能激发的那个光生电子吗？”我问道。

“没错，想必你已经见过他了，我的转化也少不了他的助力。”

忽然一道白光闪过，我反应过来这是光催化反应要开始了。“这些光子的能量都是大于半导体能带间隙，就是价带和导带的能量差，就是价带中的电子脱离共价键跑到导带所需的最低能量，一般用Eg表示。”CO2向我说道[3]。

“光电子来了！”CO2激动地说道。只见圆脑袋的小朋友冲破束缚，钻了出来。

“快来帮助我变身吧，电子小朋友。”

转眼间，CO2不见了，竟然变成了好几个长相各异的朋友。

“你好呀，我们是由CO2和电子还原得到的低碳化合物家族成员，我是其中的大哥CH4，这是我的二弟CH3OH、三弟HCHO、四弟HCOOH、小弟C2H5OH，除了我们，家族还有其他成员哦(图3)。”其中一个成员向我解释道[4]。

图3 光催化CO2还原原理图

“这真的太神奇了，竟然可以由CO2变身成为一个家族。”

“没错，经过CO2这一变身啊，我们兄弟就可以变成可以被利用的资源了，经过进一步分类筛选，输送到下一个能量站，为我们光催化CO2还原部落不断助力。”

“这意义十分重大啊，在我生活的地球上，CO2是温室气体，引起了全球变暖等效应。光催化CO2还原不就可以促进太阳能的使用、缓解温室效应，在减少温室气体排放的同时也可以实现碳资源的循环与能源经济的发展呀。”我联想到在学校学习的环保知识，十分兴奋地说道。

他们听了我的话都十分赞同，为我鼓起了掌。

我害羞地低下头。

在这时，催化剂又发声了。

“小朋友，看来你参观得十分细致，接下来让我送你去最后一个部落吧。”

3 污染物降解

“各位乘客，光催化降解站到了。”伴随着下车的提示音，我发现自己来到了光催化降解部落。

“小朋友，欢迎光临，让我带你去我们部落的光催化降解污染物中心。”迎面走来一个黑黑瘦瘦的中年人热情地向我打招呼。

不一会儿，我们就到了一个像工作车间的地方。

“看，这里面都是降解污染物的光催化剂，当大于能带间隙能量的光子进去后，就激发价带上的光生电子(e-)跃迁到导带，导带上留下空穴(h+)[5]。你看，电子和空穴这一对搭档分别跑到催化剂表面了，空穴(h+)自身具有很强的氧化性，他自己就能制服污染物，但是他还能与H2O、OH-一起反应生成强氧化性的羟基自由基·OH。而电子本身具有还原性，可以将污染物还原后降解，同时电子(e-)还可以与水中溶解的O2反应生成超氧自由基·O-2。超氧自由基进一步与h+反应生成·OH。最后，·O-2、·OH和h+他们合力将水中污染物降解。经过这一系列的反应，这些污染物已经变成H2O、CO2等无机物(图4)。”中年人向我介绍道[6]。

图4 光催化降解原理图

接下来我们来到杀菌车间，在这里我们看到许多细菌和病毒，也在光催化的作用下，被分解掉了。

“好厉害呀，如果有了这项技术，污水、废气就不会再污染地球了，太阳光就可以将他们降解掉，对环境十分友好啊。而且在如今新冠疫情爆发的时代，病毒席卷，这项技术如果能被实际运用，将会为全世界造福啊。”我不禁感慨道。

突然脚下一轻，再次站定，发现自己来到了一个宫殿前，见到了一个老人。

“小朋友你好，我是光催化国的国王，看到你今天的收获很大呀，其实我们国度还有光催化固氮等部落，时间不够了，下次你可以再去参观，现在让我送你回家吧。”

“好，感谢您，我们下次再见。”我深深地鞠躬道谢。

“下次再见，下次再见，神奇的光催化王国！”我大声喊道。

突然眼前的一切消失了，睁开眼睛，原来我是在展览馆里看化学能源的科普片呀，刚才所发生的故事竟然是我的一个梦。光催化对环保的作用如此巨大，有制取氢气、还原CO2、降解污染物等，我一定要在一会儿的总结汇报中向同学们展示。