环境污染和能源短缺问题的不断恶化，开发替代的清洁能源以及绿色低碳的环境修复技术迫在眉睫。目前，太阳能是众多可利用的可再生能源中，被研究最为广泛的能源之一。其中，太阳能驱动的半导体光催化技术，可实现光催化分解水产氢、光催化还原二氧化碳制取低碳燃料、光催化降解污染物等过程，从而达到获取清洁能源和净化环境等目的。
光催化是一种基于光能驱动化学反应的催化过程，光照下催化剂产生的电子（e-）和空穴（h+）与吸附在其表面的物质发生氧化还原反应，从而实现光能向化学能的转化。如图1所示，光催化反应的过程一般包括三个关键步骤：
（1）入射光子激发半导体，产生光生电子-空穴对；
（2）光生载流子从体相迁移到表面或在体相复合；
（3）光生载流子与表面吸附物之间发生电荷转移或在表面复合。
这三个步骤相互关联，影响着光催化反应的效率。其中，载流子的复合对光催化反应是不利的。
图1 光催化反应机理
过去50年里，光催化的应用领域逐渐被拓展，在环保、新能源、卫生保健、有机合成等方面的应用研究迅速发展。光催化材料经历了从亚微米粉末催化剂到纳米催化材料，再到单原子催化材料的发展过程。而且光催化知识体系涉及了半导体物理、催化科学、电化学及环境科学等基础科学，成为了一个多学科交叉的领域。人们在光催化技术的开发与应用研究方面取得了丰硕的成果（图2）。
图2 光催化的发展
当前，光催化技术已经在空气净化、水处理、自清洁、灭菌等方面显示了广阔的应用前景（图3）。
1. 空气净化：光催化可去除空气中的污染物，如挥发性有机物、氮氧化物和二氧化硫等。通过将光催化剂涂覆在建筑物表面、道路照明设备或空气净化器中，利用阳光或人工光源激发光催化剂，将空气污染物分解为无害物质。
2. 水处理：光催化可用于处理水中污染物，如去除水中的有机物、重金属离子和细菌等。将光催化剂添加到水处理系统中，利用光照激发光催化剂，可以降解污染物，从而提高水质。
3. 自清洁表面：光催化可用于制造自清洁表面，如建筑外墙、玻璃和太阳能电池板等。光催化剂可以分解附着在表面的污垢和污染物，使其表面保持清洁。
4. 有机废物处理：光催化可用于处理有机废物，如厨房垃圾和污水处理厂的污泥。通过光催化剂的作用，可以加速有机物的分解和矿化，减轻环境的负担。
5．杀菌：光催化用于杀菌消毒，如医院、实验室和食品加工厂等场所。光催化剂产生的活性氧物种可以处理细菌、病毒和真菌，提供较为安全的环境。
6．海洋污染治理：光催化可用于治理海洋污染，如去除油污和塑料微粒等。
图3 光催化的环境应用
未来，光催化将继续在环境、能源、医疗、化工等多个领域发挥更大作用。在环境领域，光催化仍将在空气净化、污水处理等方面发挥重要作用，为改善环境质量贡献力量；在能源领域，提高光催化制氢效率并降低生产成本，将降低人们对传统化石能源的依赖，从而极大缓解能源危机；在卫生保健方面，光催化将为抗菌消毒、药物合成和有机合成等领域提供更多的创新解决方案。
综上所述，光催化作为一种潜力巨大的绿色低碳技术，随着研究持续深入和技术的突破创新，将在更多领域发挥重要作用，为人类社会的可持续发展贡献力量。
来源：上海科普
