以光为媒，催生绿色未来

张金龙 吴仕群 朱乔虹

在墙面上涂抹光催化材料，室内的有机污染物就能在光照下被分解；向污水中添加光催化材料，水中的污染物也会被分解成无毒无害的物质；喷涂在幕墙玻璃上的光催化材料可以发挥自清洁作用，让有着“水泥森林”之称的城市建筑成为真正的绿色建筑……

光催化材料的神奇之处还不止于此。它还能通过吸收太阳光催化氧化还原反应，从而将太阳能转化为化学能。

光的作用

1972年，英国的《自然》杂志发表了一篇论文，论文中提出了一种利用二氧化钛电极光解水，从而产生氢气和氧气的方法。可以说，正是这篇论文开创了光催化这一新的研究领域，让以二氧化钛为代表的光催化材料成为化学界的“宠儿”。

二氧化钛为什么能催化水的光解反应？这要从它的结构说起。

二氧化钛是一种半导体，它的能级结构由能量较低的价带和能量较高的导带组成，价带和导带之间的能量差称为带隙能量。至于什么是价带、什么是导带，我们可以打个比方来帮助理解。价带好比河流的下游，导带好比河流的上游，而电子就好比河流里的小船。当没有外加能量时，由于水流的作用，小船都聚集在下游，即当半导体材料處于基态时，电子全部分布在价带上。当小船外加足够的能量开动起来，逆流而上，也能行驶到河流的上游。类似地，当半导体材料受到足够能量的激发，电子就能从价带跃迁到导带上，所需要的这部分能量就是带隙能量。

如果有光照射到二氧化钛材料上，且光的能量大于或等于带隙能量，那么价带上的一部分电子就会被激发，跃迁到导带上，在导带上自由流动；而电子“跳”到导带上以后，价带上就留下了一个个空位。这个过程如果用专业的说法来描述，就是光催化材料受光激发，产生了光生电子和空穴。

接下来，电子和空穴会来到催化剂表面的不同位置。空穴迫切地想要得到电子（也就是具有很强的氧化能力），因此可以将水分子氧化成氧气，而电子则参与析氢反应。这就是二氧化钛能够在光照条件下使水分解的原因。

事实上，二氧化钛等光催化材料的应用主要集中在能源领域和环境领域，都利用了其能够受光激发产生电子和空穴的性质。前者是指通过光催化剂引发一系列氧化还原反应，从而将太阳能转化成化学能，例如前面提到的分解水制氢气，还有二氧化碳的催化还原等；后者的基本原理是让光催化材料产生强氧化能力的活性氧物种，从而将水体或空气中的污染物氧化分解。

大有可为的光催化材料

《自然》杂志的那篇论文让人们看到了光催化材料在水解制氢领域的独特潜力，这一结果让人们大受鼓舞。因为如果这项技术能实现大规模工业应用，就意味着可以将太阳能转化为化学能，能源匮乏的问题也将迎刃而解。但遗憾的是，水的光解反应非常困难，人们一时间并没有实现进一步的突破。不久以后，在20世纪70年代末，人们发现在光催化剂的作用下，水体中的污染物可以被无选择性地分解掉，于是开展了光催化技术用于环境领域的一些研究。

光催化材料之所以能处理污水，同样得益于它受光激发后产生的电子与空穴。空穴迁移到催化剂表面之后，会将吸附在催化剂表面的水分子氧化为羟基自由基。羟基自由基的氧化能力非常强，能把绝大多数有机污染物分子和部分无机污染物分子都氧化为二氧化碳、水等无毒无害的物质。

按照类似的机理，光催化材料还可以分解空气中的污染物，起到净化空气的作用。例如，有的空气净化器就利用了光催化技术，“玄机”就在于过滤层上的光催化材料；将光催化材料涂覆在高速公路的隔音墙上，可以分解汽车尾气。光催化材料还可用于杀菌消毒。它被涂抹在器皿或其他物体表面之后，不仅能杀灭细菌，还能将细菌分解——跟现在杀菌液主要采用的纳米银相比，这是光催化材料独有的优势。在新冠肺炎疫情期间，基于光催化材料的杀菌液也应运而生，并且取得了一定的应用。

补足短板，突破瓶颈

有人可能会问：既然光催化材料这么厉害，既能净化空气、处理污水，又能将太阳能转化成化学能，为什么它的使用范围似乎并没有达到随处可见的程度？这是因为光催化材料在实际应用中还存在着不容忽视的局限性。

最大的局限性在于它的带隙能量与太阳光谱不匹配。以二氧化钛为例，它的带隙能量为3.2电子伏，相应的，它只能吸收波长小于387纳米的紫外光，但是太阳光的能量大部分集中于400～600纳米的可见光波段，紫外光只占不到6％。这就是说，光催化材料对太阳能的利用并不算高效，需要拓展它对光的吸收范围，或者让这个范围向可见光波段偏移。

另一个局限性是光催化反应的效率还不够高。为什么目前污水处理最常用的方法仍然是物理方法（如吸附、沉降）或生物方法？就是因为光催化技术的效率还不够高。如果综合考量效率和成本的话，光催化技术的“性价比”就显得偏低了，所以它仅适用于水体污染物毒性高、浓度低的情况，例如制药工业废水的处理。

如何让光催化材料更多地吸收可见光呢？我们主要采用了元素掺杂的方法。将过渡金属或非金属离子掺杂到光催化材料中，可以让带隙结构发生变化，使得吸收波长向可见光波段拓展，或者产生新的掺杂能级，又或者使带隙变窄，从而用较低能量的光就可以激发光催化材料产生电子和空穴。

至于如何提高催化效率，首先我们要搞清楚导致效率偏低的原因是什么。前面提到，光生电子和空穴会迁移到催化剂表面的不同位置，分别发生还原和氧化反应。但其实，它们的去向还有另一种可能，就是在表面发生复合，重新结合在一起。一旦发生复合，催化剂就失活了。这是导致光催化效率不高的重要原因。因此，如何让电子和空穴快速分离和转移，同时抑制二者的复合就成为提高催化效率的一个关键因素。

基于这样的分析，通过构建异相界面设计出了一系列高活性的光催化剂，例如负载了空间分离型双助催化剂的光催化材料。顾名思义，双助催化剂就是在体系中引入两种助催化剂，它们在反应中分别捕获电子或空穴，并将自身作为还原反应或氧化反应的活性中心。只要这两种催化剂在空间结构上彼此分离，那么电子和空穴一旦产生就会立刻被捕获到不同位置，不会相互接触，自然也就不会复合。我们还提出了一些构建异相界面的其他方法，包括构建“异质结”结构、制备Z型构架等。

当前，我国提出了碳达峰、碳中和的目标，这为光催化技术的发展带来了新的机遇。要实现碳达峰和碳中和的目标，必须彻底改变现今以“热催化”为主的化学工业生产方式。相比于热催化，光催化不需要高温、高压的反应条件，不需要复杂的操作设备，最重要的是，光催化的能量来源只有太阳能，是真正绿色的、低碳的生产方式。

光催化剂具有巨大的应用潜力，像制烯烃、合成氨这些化学工业中极其重要的反应，今后都有可能使用光催化材料作为催化剂。如果能以此大规模地将太阳能转化成化学能，无疑将是一场彻底的变革。

（摘自“科学画报”微信公众号）